чтобы остановить рамку с током вращающуюся в магнитном поле надо

Содержание

Помогите с решением. Лабораторная работа № 4 Физика 9 класс Перышкин
Чтобы остановить рамку с током вращающуюся в магнитном поле надо
Рамка с током в магнитном поле
Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока.
§ 124. Вращение рамки в магнитном поле
§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)

Помогите с решением. Лабораторная работа № 4 Физика 9 класс Перышкин

Цель работы: Изучить явление электромагнитной индукции.
Оборудование: Миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные, модель генератора электрического тока (одна на класс).
Указания к работе:
1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.
2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в неё (рис. 196). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.

Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.
4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.
5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков
ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)
6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.
Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от неё одного и того же полюса магнита.

4. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.
Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.
При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее?
При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку сила тока в ней была больше?
На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этукатушку.
5. Соберите установку для опыта по рисунку 197.
6. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:
а) при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;
б) при протекании через катушку 2 постоянного тока;
в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путём перемещения в соответствующую сторону движка реостата.
10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку 1? Почему он меняется?
11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис. 198). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
Рис. 196

Источник

Чтобы остановить рамку с током вращающуюся в магнитном поле надо

Квадратная проводящая рамка со стороной l = 50 см и массой m = 400 г лежит на наклонной плоскости с углом наклона к горизонту, равным Нижняя горизонтальная сторона рамки шарнирно прикреплена к плоскости так, что рамка может без трения поворачиваться вокруг оси О, проходящей через эту сторону (см. рис., вид сбоку). Система находится в однородном горизонтальном магнитном поле с индукцией В = 1 Тл, направленной перпендикулярно оси О. Ток какой силой I и в каком направлении надо пропускать по рамке, чтобы она начала приподниматься над плоскостью, поворачиваясь вокруг оси O?

Рамка с током начнёт поворачиваться, когда момент сил относительно оси O, действующий на рамку в магнитном поле, превысит момент силы тяжести. Если пропускать ток через рамку, то на все стороны рамки будет действовать сила Ампера. Моменты силы, приложенные к боковым сторонам, лежащим в плоскости рисунка, равны нулю. Сила F_A, действующая на верхнюю горизонтальную сторону рамки, по модулю равна BIl и должна действовать вверх, для чего ток в ней должен идти «от нас», за плоскость рисунка (см. рис.). Плечо этой силы относительно оси O равно lcos α, а момент силы равен BIl 2 cosα.

Момент силы тяжести относительно оси O равен

Таким образом, должно выполнятся соотношение

откуда

Критерии оценивания выполнения задания	Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы: I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: закон Ома и закон электромагнитной индукции, формула для магнитного потока); II) описаны все вводимые в решение буквенные обозначения физических величин (за исключением, возможно, обозначений констант, указанных в варианте КИМ и обозначений, используемых в условии задачи); III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение«по частям» с промежуточными IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины	3
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются следующие недостатки. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют. В решении лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т.п.). В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и(или) преобразования/вычисления не доведены до конца. Отсутствует пунктIV, или в нём допущена ошибка	2
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев. Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа. В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи. Источник Рамка с током в магнитном поле Рассмотрим жёсткую прямоугольную рамку с током, помещённую в магнитное поле (рис. 2.9). Рамка может вращаться вокруг оси ОО₁. Рассмотрим сначала случай, когда вектор магнитной индукции параллелен плоскости рамки. Вертикальные стороны рамки перпендикулярны вектору магнитной индукции, поэтому на них действуют силы Ампера. А поскольку в противоположных вертикальных сторонах рамки текут противоположно направленные токи, силы Ампера будут поворачивать рамку вокруг оси ОО₁. 9. Перенесите рисунок 2.9 в тетрадь. а) Изобразите на рисунке силы Ампера, действующие на вертикальные стороны рамки с током. б) Определите направление вектора магнитной индукции поля _рам, создаваемого током рамки в её центре. в) Определите, как будет изменяться угол между и _рам при повороте рамки под действием сил, действующих со стороны внешнего магнитного поля: увеличиваться или уменьшаться? Итак, в результате действия сил Ампера рамка будет поворачиваться так, чтобы вектор магнитной индукции поля, создаваемого током в рамке, совпадал по направлению с вектором магнитной индукции внешнего поля. Как мы скоро увидим, поворот рамки в магнитном поле лежит в основе действия электроизмерительных приборов и электродвигателей. Но всегда ли силы Ампера поворачивают рамку с током? 10. На рисунках 2.10 и 2.11 схематически изображены рамки с током в магнитном поле. Рамки могут вращаться вокруг оси ОО₁. а) Объясните, почему в каждом из этих случаев момент сил Ампера, приложенных к сторонам рамки, равен нулю. Подсказка. Примените правило левой руки. б) В каком из изображённых случаев рамка будет находиться в положении устойчивого равновесия? Подсказка. Рассмотрите силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки при небольшом отклонении её от показанного положения, и определите, в каком случае они будут возвращать рамку к исходному положению, а в каком — удалять её от него. в) Когда рамка находится в положении устойчивого равновесия, действующие на её стороны силы Ампера растягивают рамку или сжимают её? Источник Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока. Тема: Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока. Цели: ознакомить учащихся с действием магнитного поля на проводник с током, с правилом определения направления силы Ампера (правило левой руки); выяснить принцип действия и устройство электродвигателя и электрогенератора постоянного тока, показать их широкое применение на практике. продолжить формирование научных представлений о магнитном поле, его связи с электрическим током; формировать умения и навыки применять полученные знания для объяснения принципа действия электродвигателя, решения практических задач в повседневной жизни, обеспечения безопасности своей жизни, рационального природопользования и охраны окружающей среды, формировать умение проводить эксперимент для определения КПД электродвигателя, способствовать формированию умений собирать электрические цепи, проводить необходимые измерения. развивать навыки самостоятельного приобретения знаний, умения анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами, выделять основное содержание прочитанного текста, развивать умения логически излагать свои мысли, навыки оценки результатов своей деятельности, умения предвидеть возможные результаты своих действий, развивать познавательный интерес учащихся и коммуникативные способности. формировать убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважение к творцам науки и техники, формировать интеллектуальные и творческие способности учащихся. Вид урока: урок изучения нового материала I . Организационный момент II . Проверка знаний Первые 10 минут урока целесообразно посвятить проверке качества усвоения материала по теме «Магнитное взаимодействие. Опыты Эрстеда, Ампера. Силовые линии магнитного поля. Вектор магнитной индукции. Магнитное поле прямого и кругового тока». III . Изучение нового материала План изложения нового материала: 1. Действие магнитного поля на проводник с током. 2. Сила Ампера. Правило левой руки. 3. Рамка с током в магнитном поле. 4. Устройство электродвигателя постоянного тока. 5. Применение электродвигателей. При изменении направления электрического тока в проводнике изменяется и направление движения проводника, а значит и действующей на него силы. Рассмотрим силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током. Эту силу называют силой Ампера. Сила Ампера зависит от ориентации проводника относительно вектора магнитной индукции: магнитное поле не влияет на проводник с током, ось которого параллельна к линиям магнитной индукции, сила Ампера максимальна в случае, когда ось проводника перпендикулярна к линиям магнитной индукции. Модуль силы Ампера зависит только от проекции вектора магнитной индукции на ось, перпендикулярную к оси проводника: B = B sin , где — угол между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике. Таким образом, закон Ампера можно записать в виде: Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый в плоскости ладони большой палец покажет направление силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля. Сила Ампера тем больше, чем сильнее магнитное поле магнита, чем больше сила тока в проводнике, а также зависит от длины проводника и его расположения в магнитном поле. 3. Рамка с током в магнитном поле Рассмотрим действие однородного магнитного поля с магнитной индукцией B на твердую прямоугольную рамку с силой тока в ней I. Будем считать линии магнитного поля горизонтальными. Рассмотрим, какие силы действуют на противоположные стороны рамки с током в магнитном поле. По ним текут токи, направленные в противоположные стороны. Поэтому силы, действующие со стороны магнитного поля на противоположные стороны рамки, будут противоположно направлены. Эти силы будут поворачивать рамку. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие: рамка будет поворачиваться до тех пор, пока обе силы Ампера не будут направлены вдоль одной прямой, то есть пока плоскость рамки не станет перпендикулярной магнитных линий. Положение рамки принято определять по углу а между линиями магнитного поля и перпендикуляром (вектором нормали n ) к площади рамки. Направление нормали выбирают так, чтобы он был связан с направлением тока в рамке правилом буравчика. Очевидно, что cosβ = sin . Итак, на рамку действует момент сил M = BIS · sin . В практике часто используют действие магнитного поля на рамку с током. Поворот рамки учитель объясняет, применяя правило левой руки к каждому вертикальному участку рамки. При изменении направления тока в рамке она будет поворачиваться в обратном направлении. То же самое мы наблюдаем, поменяв местами полюсы магнита. Пользуясь правилом левой руки, мы уже выяснили, что магнитное поле, действуя на вертикальные стороны рамки, вынуждает ее поворачиваться так, что ее плоскость располагается перпендикулярно силовым линиям поля. При этом по инерции рамка каждый раз проходит несколько дальше положения равновесия. Если в момент прохождения рамкой положения равновесия каждый раз изменять направление тока в ней, то она будет непрерывно вращаться. Наблюдая опыт, учащиеся должны отчетливо представлять, что вращение рамки происходит в результате действия магнитного поля на проводники с током, и что в этом процессе происходит превращение электрической энергии в механическую. На рассмотренном явлении основано устройство электродвигателей. 4. Как работает двигатель постоянного тока Чтобы ротор (подвижная часть электродвигателя) вращался, необходимо решить две главные проблемы. 2). Если направление магнитной индукции и тока в рамке не меняется, то ротор просто остановится в положении устойчивого равновесия. Чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора, в двигателях постоянного тока применяют коллектор. Благодаря использованию коллектора направление тока в рамке через каждые полоборота меняется на противоположный. В результате силы, действующие на рамку, вращают ее все время в том же направлении (см. рисунок). Итак, чтобы сконструировать электрический двигатель, необходимо иметь: 1) постоянный магнит; 2) ведущий контур; 3) источник тока; 4) коллектор. Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение в транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы). IV . Закрепление изученного С целью закрепления материала в конце урока можно обсудить решения следующих качественных задач: 1. В троллейбусах установлены электродвигатели постоянного тока. Притягиваются или отталкиваются провода троллейбусной линии? 2. Два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются. Почему же два параллельных электронных пучка отталкиваются? Можно ли поставить опыт так, чтобы параллельные проводники, по которым текут токи в одном направлении, тоже отталкивались? 3. Через проводник длиной 60 см течет ток силой 1,2 А. Определите наибольшее и наименьшее значение силы Ампера, действующей на проводник, при различных его положений в однородном магнитном поле, индукция которого 1,5 Тл. 4. Определите: направление силы Ампера (рис. 1); полюса магнита (рис. 2); направление тока в проводнике (рис. 3). Источник § 124. Вращение рамки в магнитном поле Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 180). Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В=const) равномерно с угловой скоростью =const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент где =t— угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t=0 =0). При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции (см. (123.2)) изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sint=l ξ_i максимальна, т. е. определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся э.д.с. Учитывая (124.2), выражение (124.1) можно записать в виде Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону. Из формулы (124.2) вытекает, что ξ_max (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в прямой зависимости от величин со, В и S. В СССР принята стандартная частота тока v = (2)=50 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью . Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем са- мым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (109.1) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую. § 125. Вихревые токи (токи Фуко) Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко — по имени первого исследователя. Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания (рис. 181), то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует. Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы. Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 182, а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис. 182, б — при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ. skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми. Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине. Источник Читайте также: альстромерия как выращивать на даче Search for: Рубрики Дом Дом и квартира Перепланировка и ремонт Ремонт Свежие записи Как прописываются в частном доме Какие радиаторы для частного дома Какие батареи в частном доме Для чего приватизировать частный дом Кто является собственником частного дома Вам также может понравиться ящики цветочные для балкона с креплением Балконные ящики для цветов и растений Ящик балконный ящики на балконе для хранения вещей Система хранения на балконе: идеи и современные решения ящики кованые для цветов на балкон Цветочницы из металла на окна Типы креплений Внакладку к стене. ящики для цветов своими руками на балкон Балконные ящики для цветов: выбор оптимальной емкости Правообладателям Политика конфиденциальности Контакты © 2023 Мой дом Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер

Критерии оценивания выполнения задания

Баллы

Приведено полное решение, включающее следующие элементы:

I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: закон Ома и закон электромагнитной индукции, формула для магнитного потока);

II) описаны все вводимые в решение буквенные обозначения физических величин (за исключением, возможно, обозначений констант, указанных в варианте КИМ и обозначений, используемых в условии задачи);

III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение«по частям» с промежуточными

IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины

Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются следующие недостатки.

Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.

В решении лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т.п.).

В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и(или) преобразования/вычисления не доведены до конца.

Отсутствует пунктIV, или в нём допущена ошибка

Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев.

Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа.

В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.

Источник

Рамка с током в магнитном поле

Рассмотрим жёсткую прямоугольную рамку с током, помещённую в магнитное поле (рис. 2.9). Рамка может вращаться вокруг оси ОО₁.

8.1

Рассмотрим сначала случай, когда вектор магнитной индукции параллелен плоскости рамки.

Вертикальные стороны рамки перпендикулярны вектору магнитной индукции, поэтому на них действуют силы Ампера. А поскольку в противоположных вертикальных сторонах рамки текут противоположно направленные токи, силы Ампера будут поворачивать рамку вокруг оси ОО₁.

9. Перенесите рисунок 2.9 в тетрадь.

а) Изобразите на рисунке силы Ампера, действующие на вертикальные стороны рамки с током.
б) Определите направление вектора магнитной индукции поля 1.10 _рам, создаваемого током рамки в её центре.
в) Определите, как будет изменяться угол между 1.10 и 1.10 _рам при повороте рамки под действием сил, действующих со стороны внешнего магнитного поля: увеличиваться или уменьшаться?

Итак, в результате действия сил Ампера рамка будет поворачиваться так, чтобы вектор магнитной индукции поля, создаваемого током в рамке, совпадал по направлению с вектором магнитной индукции внешнего поля.

Как мы скоро увидим, поворот рамки в магнитном поле лежит в основе действия электроизмерительных приборов и электродвигателей.

Но всегда ли силы Ампера поворачивают рамку с током?

10. На рисунках 2.10 и 2.11 схематически изображены рамки с током в магнитном поле. Рамки могут вращаться вокруг оси ОО₁.

8.2

а) Объясните, почему в каждом из этих случаев момент сил Ампера, приложенных к сторонам рамки, равен нулю.

Подсказка. Примените правило левой руки.

б) В каком из изображённых случаев рамка будет находиться в положении устойчивого равновесия?

Подсказка. Рассмотрите силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки при небольшом отклонении её от показанного положения, и определите, в каком случае они будут возвращать рамку к исходному положению, а в каком — удалять её от него.

в) Когда рамка находится в положении устойчивого равновесия, действующие на её стороны силы Ампера растягивают рамку или сжимают её?

Источник

Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока.

Тема: Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока.

Цели: ознакомить учащихся с действием магнитного поля на проводник с током, с правилом определения направления силы Ампера (правило левой руки); выяснить принцип действия и устройство электродвигателя и электрогенератора постоянного тока, показать их широкое применение на практике.

продолжить формирование научных представлений о магнитном поле, его связи с электрическим током;

формировать умения и навыки применять полученные знания для объяснения принципа действия электродвигателя, решения практических задач в повседневной жизни, обеспечения безопасности своей жизни, рационального природопользования и охраны окружающей среды,

формировать умение проводить эксперимент для определения КПД электродвигателя, способствовать формированию умений собирать электрические цепи, проводить необходимые измерения.

развивать навыки самостоятельного приобретения знаний, умения анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами,

выделять основное содержание прочитанного текста,

развивать умения логически излагать свои мысли, навыки оценки результатов своей деятельности, умения предвидеть возможные результаты своих действий,

развивать познавательный интерес учащихся и коммуникативные способности.

формировать убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважение к творцам науки и техники,

формировать интеллектуальные и творческие способности учащихся.

Вид урока: урок изучения нового материала

I . Организационный момент

II . Проверка знаний

Первые 10 минут урока целесообразно посвятить проверке качества усвоения материала по теме «Магнитное взаимодействие. Опыты Эрстеда, Ампера. Силовые линии магнитного поля. Вектор магнитной индукции. Магнитное поле прямого и кругового тока».

III . Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Действие магнитного поля на проводник с током.

2. Сила Ампера. Правило левой руки.

3. Рамка с током в магнитном поле.

4. Устройство электродвигателя постоянного тока.

5. Применение электродвигателей.

При изменении направления электрического тока в проводнике изменяется и направление движения проводника, а значит и действующей на него силы.

Рассмотрим силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током. Эту силу называют силой Ампера.

Сила Ампера зависит от ориентации проводника относительно вектора магнитной индукции: магнитное поле не влияет на проводник с током, ось которого параллельна к линиям магнитной индукции, сила Ампера максимальна в случае, когда ось проводника перпендикулярна к линиям магнитной индукции.

Модуль силы Ампера зависит только от проекции вектора магнитной индукции на ось, перпендикулярную к оси проводника: B = B sin , где — угол между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Таким образом, закон Ампера можно записать в виде:

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки:

если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый в плоскости ладони большой палец покажет направление силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля.

Сила Ампера тем больше, чем сильнее магнитное поле магнита, чем больше сила тока в проводнике, а также зависит от длины проводника и его расположения в магнитном поле.

3. Рамка с током в магнитном поле

Рассмотрим действие однородного магнитного поля с магнитной индукцией B на твердую прямоугольную рамку с силой тока в ней I. Будем считать линии магнитного поля горизонтальными.

Рассмотрим, какие силы действуют на противоположные стороны рамки с током в магнитном поле. По ним текут токи, направленные в противоположные стороны. Поэтому силы, действующие со стороны магнитного поля на противоположные стороны рамки, будут противоположно направлены. Эти силы будут поворачивать рамку. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие: рамка будет поворачиваться до тех пор, пока обе силы Ампера не будут направлены вдоль одной прямой, то есть пока плоскость рамки не станет перпендикулярной магнитных линий.

Положение рамки принято определять по углу а между линиями магнитного поля и перпендикуляром (вектором нормали n ) к площади рамки.

Направление нормали выбирают так, чтобы он был связан с направлением тока в рамке правилом буравчика. Очевидно, что cosβ = sin . Итак, на рамку действует момент сил M = BIS · sin .

В практике часто используют действие магнитного поля на рамку с током. Поворот рамки учитель объясняет, применяя правило левой руки к каждому вертикальному участку рамки. При изменении направления тока в рамке она будет поворачиваться в обратном направлении. То же самое мы наблюдаем, поменяв местами полюсы магнита.

Пользуясь правилом левой руки, мы уже выяснили, что магнитное поле, действуя на вертикальные стороны рамки, вынуждает ее поворачиваться так, что ее плоскость располагается перпендикулярно силовым линиям поля. При этом по инерции рамка каждый раз проходит несколько дальше положения равновесия. Если в момент прохождения рамкой положения равновесия каждый раз изменять направление тока в ней, то она будет непрерывно вращаться.

Наблюдая опыт, учащиеся должны отчетливо представлять, что вращение рамки происходит в результате действия магнитного поля на проводники с током, и что в этом процессе происходит превращение электрической энергии в механическую. На рассмотренном явлении основано устройство электродвигателей.

4. Как работает двигатель постоянного тока

Чтобы ротор (подвижная часть электродвигателя) вращался, необходимо решить две главные проблемы.

2). Если направление магнитной индукции и тока в рамке не меняется, то ротор просто остановится в положении устойчивого равновесия. Чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора, в двигателях постоянного тока применяют коллектор. Благодаря использованию коллектора направление тока в рамке через каждые полоборота меняется на противоположный. В результате силы, действующие на рамку, вращают ее все время в том же направлении (см. рисунок).

Итак, чтобы сконструировать электрический двигатель, необходимо иметь: 1) постоянный магнит; 2) ведущий контур; 3) источник тока; 4) коллектор.

Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение в транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы).

IV . Закрепление изученного

С целью закрепления материала в конце урока можно обсудить решения следующих качественных задач:

1. В троллейбусах установлены электродвигатели постоянного тока. Притягиваются или отталкиваются провода троллейбусной линии?

2. Два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются. Почему же два параллельных электронных пучка отталкиваются? Можно ли поставить опыт так, чтобы параллельные проводники, по которым текут токи в одном направлении, тоже отталкивались?

3. Через проводник длиной 60 см течет ток силой 1,2 А. Определите наибольшее и наименьшее значение силы Ампера, действующей на проводник, при различных его положений в однородном магнитном поле, индукция которого 1,5 Тл.

4. Определите: направление силы Ампера (рис. 1); полюса магнита (рис. 2); направление тока в проводнике (рис. 3).

Источник

§ 124. Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 180).

Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В=const) равномерно с угловой скоростью =const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент

где =t— угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t=0 =0).

При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции (см. (123.2))

изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sint=l ξ_i максимальна, т. е.

определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся э.д.с. Учитывая (124.2), выражение (124.1) можно записать в виде

Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону. Из формулы (124.2) вытекает, что ξ_max (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в прямой зависимости от величин со, В и S. В СССР принята стандартная частота тока v = (2)=50 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью . Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем са-

мым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (109.1) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.

§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко — по имени первого исследователя.

Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания (рис. 181), то при включении тока он испытывает сильное торможение

и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.

Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.

Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 182, а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на

рис. 182, б — при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ. skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.

Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.

Источник