На
прошлых уроках мы с вами узнали, что магнитные поля, созданные постоянными
магнитами или токами, действуют на помещённые в них магнитные стрелки.
Поскольку магнитное поле проводника с
током действует с определённой силой на магнит, то естественно предположить,
что со стороны магнитного поля магнита на проводник с током также должна
действовать какая-то сила. Рассмотрим более подробно действие магнитного поля
на проводник с током и попытаемся подтвердить или опровергнуть высказанное
предположение.
Для этого соберём цепь, состоящую из
источника тока, ключа, проводника и подковообразного магнита, закреплённого в
штативе. Проводник подвесим на тонких проводах и поместим в магнитное поле,
созданное подковообразным магнитом. При разомкнутой цепи действия со стороны
магнитного поля дугообразного магнита на проводник не наблюдается.
При замыкании цепи проводник приходит
в движение — он втягивается в пространство между полюсами дугообразного магнита.
Поменяв направление тока в цепи,
увидим, что проводник отклонится в противоположную сторону.
Следовательно, магнитное
поле действует на проводник с током с некоторой силой. Эту силу, то есть силу, с которой
магнитное поле действует на помещённый в него проводник с током, называют силой
Ампера. Названа она в честь французского учёного А. Ампера, который впервые
обнаружил действие магнитного поля на проводник с током.
Как мы видели из опыта, направление силы Ампера зависит от
направления тока в проводнике и от направления линий магнитного поля. Направление силы Ампера можно определить
с помощью правила
левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля
входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по направлению тока в
проводнике, то отогнутый на девяносто градусов большой палец покажет
направление действующей на проводник силы.
Механическое
движение проводника с током в магнитном поле имеет огромное практическое
значение. Более полутора столетий назад, а точнее в 1834 г. , русский учёный Б. Якоби впервые сконструировал
электрический двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей.
Конечно
же, он был очень слабым (его мощность составляла всего 15 Вт), но Император
Николай I выделил некоторые средства на улучшение
двигателя. И уже четыре года спустя Якоби сконструировал электродвигатель
мощностью 600 Вт. Он и ещё одиннадцать пассажиров прокатились на катере,
оснащённым новым двигателем по Неве против течения, вызвав бурю удивления: ведь
никто не грёб вёслами.
Очень
скоро новость о практическом применении электродвигателя разлетелась по всему
миру. А к семидесятым годам XIX в. электродвигатель был уже настолько
усовершенствован, что в таком виде сохранился до наших дней.
Чтобы
понять принцип работы электродвигателя, проделаем такой опыт. Между полюсами
магнита поместим прямоугольную рамку, состоящую из нескольких витков проволоки,
которая может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При отсутствии
электрического тока в рамке она располагается произвольным образом.
Если
плоскость рамки будет располагаться параллельно линиям магнитного поля, то при пропускании по ней тока рамка
начнёт поворачиваться. Это происходит потому, что на каждую из сторон рамки,
перпендикулярную магнитным линиям, действует сила Ампера. Как мы уже выяснили,
направление этой силы зависит от направления тока. Поэтому в нашем случае, обе
силы поворачивают рамку в одну сторону, в данном случае против хода часовой
стрелки.
Когда
плоскость рамки станет перпендикулярно линиям магнитного поля, рамка остановится. Чтобы этого не произошло,
и она продолжала вращаться в том же направлении, необходимо изменить
направление тока в цепи. Для этого используют специальные металлические
полукольца, прикреплённые к рамке, по которым скользят контактные пластины,
соединённые с источником тока.
При
повороте рамки на 180о меняется контактная пластина, которой
касается полукольцо, и, следовательно, меняется направление тока в рамке. Таким
образом, направление тока в цепи изменяется, и рамка всё время вращается в
одном направлении.
Существуют
различные конструкции электродвигателей. Однако наиболее распространённым
является коллекторный электродвигатель, который содержит в себе три основных
узла: статор,
ротор и коллектор.
Статор (что в переводе с латинского означает «стоящий неподвижно») представляет собой либо постоянный
магнит, либо электромагнит, который служит для создания магнитного поля.
Ротор (в переводе с латинского — «вращающийся») представляет собой сердечник, на
который наматывается обмотка. Очень часто ротор ещё называют якорем двигателя.
На
оси ротора закреплены медные коллекторные пластины,
которые изменяют направление тока в витках якоря.
При
протекании электрического тока по обмотке ротора, он, под действием силы Ампера,
начинает вращаться. Это вращательное движение передаётся валу, а от него —
различным механизмам.
Электродвигатели
обладают целым рядом преимуществ по сравнению с тепловыми двигателями, которые
работают за счёт энергии сжигаемого топлива.
Надо сказать, что
автомобиль с электродвигателем (то есть электромобиль) был изобретён раньше,
чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Самый первый электромобиль
был построен ещё в далёком 1841 г. , правда, выглядел он как электромотор с
тележкой.
Нечто отдалённо
напоминающее автомобиль построили уже ближе к концу XIX в.
А в т1899 г. Камиль
Женатци на электромобиле впервые превысил скорость 100 км/ч.
В качестве источника тока
в электромобиле использовался аккумулятор Бари, который включал в себя тридцать
шесть вольтовых столбов.
Электродвигатели, используемые
сегодня в промышленности, работают в основном на переменном токе. Но и
двигатели постоянного тока достаточно широко используются, особенно на
транспорте. Например, на постоянном токе, работают электропоезда, трамваи и
троллейбусы. Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяют в системах
автоматического регулирования и в бытовых приборах. Мощные электродвигатели
используются главным образом для приведения в действие прокатных станов,
подъёмных кранов и прочего.
Помимо
этого, современные электродвигатели можно изготовить любой мощности: от
нескольких ватт, как, например, в бытовых домашних приборах, до нескольких
сотен и тысяч киловатт для промышленного производства. При одинаковой мощности
электрические двигатели имеют намного меньшие размеры, чем тепловые. При этом
их коэффициент полезного действия гораздо выше, чем у тепловых двигателей. Так,
например, КаПэДэ современных электродвигателей достигает 98%, в то время как в
современном тепловом двигателе он едва дотягивает до 60%.
В
завершении отметим, что свойство рамки с током вращаться в магнитном поле
используется и в электроизмерительных приборах, таких как вольтметр, амперметр
и гальванометр. Рассмотрим принцип действия таких приборов. Между полюсами
дугообразного магнита находится рамка, удерживаемая в положении равновесия
пружиной. К рамке прикреплена стрелка, движущаяся по шкале.
Если
по рамке пропускать электрический ток, то на стороны рамки будет действовать
вращательный момент амперовых сил, что приведёт к повороту рамки на
определённый угол, и, соответственно, отклонению стрелки. При выключении тока
пружина возвращает стрелку к нулевой отметке шкалы.
Когда мы только начинали знакомиться с силой тока, мы
упоминали, что проводники с током действуют друг на друга. Опираясь именно на
силу такого взаимодействия, и была определена сила тока в один ампер. Тогда мы
не сказали, чем вызвано притяжение или отталкивание двух проводников. Теперь,
пользуясь нашими новыми знаниями, мы с уверенностью можем сказать: проводники
взаимодействовали с помощью магнитных полей. Как мы помним, магнитное поле
возникает вокруг любого проводника, по которому течет ток. И мы также выясняли,
что магнитное поле действует на проводник с током.
Если подвесить проводник на гибких проводах в
магнитном поле, а потом пропустить по нему ток, то он отклонится в ту или иную
сторону в зависимости от направления тока.
Или же, можно оставить направление тока неизменным, но
изменить положение полюсов магнита. Мы знаем, что ток двигается от плюса к
минусу. На рисунке показан дуговой магнит, между полюсами которого, конечно же,
существует магнитное поле.
Как только мы пустим по проводнику ток, он сместится
влево. То есть, магнитное поле проводника будет притягиваться с полем магнита. Если же мы поменяем направление тока, то проводник, наоборот отклонится вправо. Если теперь поменять полюса магнита, то проводник снова отклонится влево. И,
наконец, если сейчас снова поменять направление тока, то проводник снова
отклонится вправо. Опять же, обратите внимание на симметрию: изменение
направления тока на противоположное даёт тот же эффект, что и поменять местами
полюса магнита. Но простое отклонение проводника в магнитном поле используется
значительно меньше, чем вращение. Итак, давайте рассмотрим, как можно заставить
проводник с током вращаться в магнитном поле. На рисунке вы видите рамку,
закреплённую между полюсами магнита.
К металлическим пластинам подсоединены положительный и
отрицательный полюса источника тока. На рамку намотана проволока с изоляцией. Концами проволока присоединена к полукольцам. Обратите внимание, что по
противолежащим сторонам рамки ток идет в противоположных направлениях. Поэтому,
обе стороны рамки будут перемещаться в противоположном направлении. Это
приведёт к вращению всей рамки. И тут возникает проблема: как только рамка
повернётся на 90о, обе её стороны окажутся ближе к противоположным
полюсам, и рамка начнёт поворачиваться обратно. Как раз, чтобы этого не
произошло, нам и нужны полукольца. Дело в том, полукольца поворачиваются вместе
с рамкой. Как только рамка повернётся на 90о, каждое полукольцо
прижмется к противоположному контакту. Тогда направления токов в обеих частях
рамки поменяются на противоположные, и рамка снова повернётся в ту же сторону. Так
будет происходить снова и снова, в результате чего, рамка будет вращаться в
одном направлении.
Возможность такого вращения невольно наталкивает на
мысль о создании двигателя. Ведь, если к такой рамке прикрепить, скажем,
стержень, и насадить на него колесо, то колесо будет вращаться. Двигатель
подобного типа действительно существует и называется электродвигателем. Рассмотрим устройство электродвигателя. Совсем недавно мы познакомились с
электромагнитом: это катушка с током с железным сердечником внутри. С помощью
электромагнита создается магнитное поле, в котором вращается другая катушка с
током.
Эта катушка состоит из железного цилиндра и проволоки,
уложенной в прорези в этом цилиндре. Железный цилиндр нужен для ещё большего
усиления магнитного поля. Эта часть называется якорем двигателя или ротором. У
любого двигателя есть ротор (вращающаяся часть) и статор (неподвижная часть). Так вот, в нашем случае, статор — это полюса магнита, а ротор — это железный
цилиндр. К пластинам, с помощью которых меняется направление тока, подключают
скользящие контакты. Таким образом, двигатель может вращать присоединённый к
нему стержень (который называется валом).
Первый электродвигатель был изобретён Борисом Якоби в
1837 году.
Конечно же, он был очень слабым (его мощность
составляла всего 15 Вт), но Император Николай I
выделил некоторые средства на улучшение двигателя. Уже в 1838 году Якоби сделал
электродвигатель мощностью 600 Вт. Он и ещё одиннадцать пассажиров прокатились
на катере по Неве, вызвав бурю удивления: ведь никто не греб веслами. Кстати,
среди пассажиров был известный нам физик Эмилий Ленц. Очень скоро новость о
практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.
В наше время электродвигатели очень широко
используются. Например, катера, экскаваторы, электропоезда и трамваи ездят на
электродвигателях.
У электродвигателей есть существенные преимущества
перед тепловыми. Электродвигатели не такие громоздкие, им не нужно топливо и
они экологически чистые, поскольку не имеют отходов. Но самое главное, что
коэффициент полезного действия электродвигателей достигает 98%. Никакие другие
двигатели не способны достичь такого высокого КПД.
Надо сказать, что автомобиль с электродвигателем (то
есть электромобиль) был изобретен раньше, чем автомобиль с двигателем
внутреннего сгорания. Самый первый электромобиль был построен ещё в 1841 году,
но выглядел он как электромотор с тележкой.
Нечто отдалённо напоминающее автомобиль построили уже
ближе к концу девятнадцатого века. А в 1899 году Камиль Женатци впервые
превысил скорость 100 км/ч, разогнавшись почти до 106 км/ч.
В качестве источника тока использовался аккумулятор
Бари, который включал в себя 36 вольтовых столбов. Напомним, что вольтов столб —
это источник химического тока. Мощность этого электромобиля составила 4 л. ,
что, конечно, смешно по нынешним меркам.
После изобретения двигателя внутреннего сгорания,
интерес к электромобилям надолго пропал, но вернулся в 60 годы 20 века, из-за
проблем с экологией. В самом конце двадцатого столетия, компания Дженерал
Моторс, выпустила автомобиль EV1.
Этот автомобиль был абсолютно экологически чистым,
поскольку полностью ездил на электродвигателях. EV1
разгонялся до 96 км/ч за 9 секунд и имел принудительное ограничение скорости
129 км/ч. Единственным недостатком электромобиля было то, что без подзарядки он
мог проехать от девяноста до двух сот сорока километров. Несмотря на это, в
2003 году все электромобили были изъяты и уничтожены. Это произошло только
из-за того, что владельцы нефтяных вышек испугались за свой бизнес и попросту
заставили закрыть программу.
Несмотря на это, в 2009 году была выпущена новая
модель электромобиля «Tesla Model S», которая может проехать без подзарядки
более 400 км, а по скорости ничем не уступает обычному автомобилю.
Если программу снова не закроют, то, скорее всего,
такие электромобили станут заменой обычным автомобилям.
И в завершении мы познакомимся с тем, как изготовить
простейший электродвигатель. Это не сложно: достаточно к полюсам батарейки
подсоединить две обычных скрепки. Потом скрутить тонкую проволоку, и
подсоединить к скрепкам так, как показано на рисунке.
На батарейку поставьте магнит. Если вы дадите
начальный толчок проволоке, то она начнёт вращаться. Конечно, этот двигатель
имеет очень маленькую мощность, но по принципу действия мало отличается от
настоящих электродвигателей.
На прошлом уроке мы с вами установили, что о существовании
магнитного поля можно судить по наличию силы, действующей на проводник с током. Эту силу называют силой Ампера, в честь французского учёного Адре Мари
Ампера.
Тогда логично предположить, что если мы поместим проводник с
током в магнитное поле, например в поле постоянного магнита, то на него будет
действовать сила со стороны этого поля — магнитная сила. Проверим это предположение
на опыте. Для этого возьмём проводник с током и расположим его так, чтобы
только один его прямолинейный участок оказался в магнитном поле, а остальные
части цепи находились в областях пространства, где магнитное поле слабое и его
действием на эти части цепи можно пренебречь. Замкнув цепь, мы заметим, что
проводник придёт в движение.
Уберём магнит, и проводник двигаться не будет. Значит, со
стороны магнитного поля на проводник с током действует сила так же, как
действует сила со стороны магнитного поля на магнитную стрелку. Изменяя
направление тока или направление силовых линий магнитного поля, легко заметить,
что при этом меняется и направление движения проводника, а значит, и
направление действующей на проводник силы.
Направление действующей на проводник с током силы Ампера в
магнитном поле можно определить, пользуясь правилом левой руки. Руку
располагают так, чтобы силовые линии поля перпендикулярно входили в ладонь,
четыре пальца были направлены по току, тогда отставленный на 90° большой палец
расположится вдоль направления действующей на проводник силы.
Рассмотрим теперь, от чего зависит величина этой силы. Для
этого опять обратимся к опыту. Подвесим к левому плечу коромысла рычажных весов
линейный проводник и поместим его между полюсами магнита так, чтобы он был
перпендикулярен силовым линиям магнитного поля. Последовательно с этим проводником
включим амперметр и реостат, с помощью которого можно менять силу тока в нашем
проводнике. Уравновесим весы и замкнём цепь.
Не трудно заметить, что равновесие весов нарушилось. Чтобы его
восстановить, на правую чашку придётся положить добавочный груз, вес которою
будет равен силе, действующей на проводник вертикально вниз.
Теперь будем изменять ток в нашем проводнике в целое число
раз. Как видим, увеличение силы тока в целое число раз приводит к увеличение в
целое число раз силы, действующей на проводник. То есть сила, с которой
магнитное поле действует на проводник с током прямо пропорциональна силе этого тока.
А теперь проверим, зависит ли эта сила от длины проводника. Для
этого будем помещать в магнитное поле проводники разной длины при одном и том
же токе. Как видим, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с
током, прямо пропорциональна длине части проводника, расположенной в магнитном
поле.
На основании проведённых опытов мы с вами можем утверждать,
что максимальная сила, действующая со стороны магнитного поля на участок
проводника, по которому идёт ток, прямо пропорциональна произведению
силы тока на длину участка проводника.
Однако при этом отношение силы к длине проводника и к току в
нём есть величина постоянная, не зависящая ни от длины проводника, ни от тока в
нём. Следовательно, величина этого отношения может служить характеристикой
магнитного поля. Эту величину и называют индукцией магнитного поля или
просто магнитной индукцией.
В системе единиц СИ за единицу индукции магнитного поля
принимается индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с
силой один ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника,
расположенного перпендикулярно направлению индукции поля, если по этому
проводнику течёт ток в один ампер:
Эта единица измерения названа теслой в честь великого сербского
инженера и изобретателя Николы Тесла.
Напомним вам, что индукция магнитного поля — это векторная
величина. А её направление в данной точке совпадает
с направлением силовой магнитной линии, проходящей через эту точку. Так же
в системе СИ индукция магнитного поля является силовой характеристикой
магнитного поля, подобно тому, как напряжённость электрического поля является
силовой характеристикой поля электрического.
Зная индукцию магнитного поля, можно рассчитать максимальную
силу Ампера, действующую на проводник с током со стороны магнитного поля:
В общем же случае, сила Ампера будет зависеть и от ориентации
проводника в магнитном поле. И действительно, если в нашем первом опыте менять
ориентацию проводника в магнитном поле, то можно заметить, что модуль
действующей силы зависит от угла между направлениями тока в проводнике и
магнитной индукции. Причём модуль силы обращается в ноль тогда, когда направление
тока в проводнике и направление вектора магнитной индукции совпадают.
Таким образом, в общем случае модуль силы Ампера равен произведению силы тока, модуля вектора магнитной
индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и элемента тока:
Это выражение называют законом Ампера. Он был
установлен Адре Мари Ампером в 1820 году.
В случае, когда магнитное поле создаётся несколькими
источниками, то индукцию результирующего магнитного поля определяют по принципу
суперпозиции: если магнитное поле в некоторой точке пространства создаётся
несколькими источниками, то индукция результирующего магнитного поля в этой
точке равна векторной сумме индукций магнитных полей, созданных каждым источником:
Теперь, для закрепления материала давайте с вами решим такую
задачу. В однородном магнитном поле, индукция которого равна 0,25 Тл и имеет
вертикальное направление, на двух идеальных нитях горизонтально подвешен
прямолинейный проводник массой 40 г. Активная длина проводника располагается в
вакууме и равна 20 см. Какой ток течёт по проводнику, если нити отклонились на
45о от вертикали?
В заключении отметим, что силы, действующие на проводник с
током в магнитном поле, широко используются в технике. Электродвигатели и
генераторы, телефоны и микрофоны — во всех этих и множестве других приборах
используется взаимодействие токов, токов и магнитов и так далее.
Рассмотрим принцип действия электроизмерительных приборов
магнитоэлектрической системы, предназначенных для измерения силы тока и
напряжения в цепях постоянного тока.
Итак, приборы магнитоэлектрической системы состоят из постоянного
магнита, создающего постоянное магнитное поле, усиливаемое специальными «полюсными
башмаками». Между башмаками устанавливается катушка, изготовленная, как
правило, из алюминиевого каркаса (рамки) и обмотки, к которой подводится ток. Внутри
рамки помещают железный цилиндр, который обеспечивает радиальное направление
линий магнитной индукции в той области, где находятся витки катушки. Рамка
укреплена на двух полуосях, на одной из которых закреплена показывающая стрелка. Вращение стрелки уравновешивается спиральными пружинами.
В таких приборах вращающий момент амперовых сил пропорционален
силе проходящего по подвижной катушке тока. Противодействующий механический
момент создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу закручивания. Следовательно,
угол отклонения катушки, и скреплённой с нею стрелки, будет пропорционален силе
протекающего по обмотке тока. А линейная зависимость между током и углом
отклонения обеспечивает равномерность шкалы прибора.
И давайте рассмотрим ещё принцип работы громкоговорителя,
который является одним из самых важных изобретений ХХ века. Именно его
появление (наряду с микрофоном) обеспечило возможность развития систем
звукозаписи и звуковоспроизведения.
Громкоговоритель — это прибор, который служит для возбуждения
звуковых волн под действием переменного электрического тока, меняющегося со
звуковой частотой. Иными словами, громкоговоритель применяется для
преобразования электрических колебаний в звуковые.
Патент на первую электродинамическую головку (капсюль) был
получен известным изобретателем Александром Беллом в 1876—1877 гг. В нём
мембрана из магнитомягкого материала колебалась в магнитном поле постоянного
магнита и электромагнита. До конца 1920-х годов большинство громкоговорителей
использовало именно этот принцип работы.
Но такие громкоговорители имели высокий уровень нелинейных и
частотных искажений. В 1924 году американцы Честер Рейс и Эдвард Келлог из
компании «Дженерал электрик» запатентовали наиболее близкую к современной
конструкцию динамического громкоговорителя. Уже через два года это устройство
появилось в промышленных громкоговорителях и в радиоприёмниках.
Интересно отметить, что почти одновременно работы по созданию
электродинамических громкоговорителей велись и в России. В 1923 году в
Петрограде была создана Центральная радиолаборатория, позднее переименованная в
Институт радиовещательного приёма и акустики имени Александра Степановича Попова. А уже в 1926 году был создан первый электромагнитный громкоговоритель «Рекорд»
и электромагнитный рупорный уличный громкоговоритель. Первые мощные
громкоговорители были созданы в 1930—1932 гг. для звукоусиления на Красной
площади в Москве.
За многие десятилетия акустические системы претерпели массу
изменений. Однако их принцип работы до сих пор остаётся неизменным.
Итак, у громкоговорителя есть две части — подвижная и
неподвижная. Подвижную часть, закрытую пылезащитным колпачком, называют диффу́зором. Он создаёт механические колебания, которые мы воспринимаем как звук.
За диффу́зором располагается центрирующая шайба, в
которой находится звуковая катушка. Катушка может свободно перемещаться в магнитном
поле мощного постоянного магнита, кольцевой формы, который крепится к корзине. В зависимости от силы поступаемого на обмотку электрического сигнала, прочно прикреплённая
к диффузору катушка приводит последний в колебательные движения. Эти колебания
возбуждают окружающий воздух, образовывая направленную звуковую волну.
Общим недостатком всех громкоговорителей является их малый
КПД — всего порядка 1—3 %. Но на практике и этих процентов хватает с лихвой.
В настоящее время наряду с электромеханическими громкоговорителями
широкое применение получили пьезоэлектрические громкоговорители (или
излучатели). Их принцип действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, который
проявляется в виде деформации некоторых типов кристаллов в электростатическом
поле.
Пьезогромкоговорители очень удобны в изготовлении и компактны. Поэтому их широко применяют радио- и мобильных телефонах, ноутбуках, часах-будильниках
и даже в устройствах для отпугивания грызунов и насекомых.
Поступательное движение проводника в магнитном поле
Как показать, что магнитное поле действует на проводник с током, находящийся в этом поле?
Проведем опыт, чтобы отследить движение проводника с током в магнитном поле в зависимости от нескольких параметров. Этими параметрами будут направление тока в проводнике и расположение полюсов магнита.
Возьмем проводник AB. Подвесим его на гибких проводах так, чтобы он оказался между полюсами дугообразного магнита (рисунок 3).
А теперь включим ток. Что произойдет? Наш подопытный проводник AB пришел в движение и отклонился (рисунок 4).
Сейчас ток протекает по цепи и направлен от A к B. Проводник отклонился влево. Если мы перевернем магнит — поменяем его полюса местами — проводник отклонится вправо.
Вернем магнит в первоначальное положение, но поменяем направление тока в цепи. И снова проводник отклонится вправо, а не влево, как в первом опыте.
Обратите внимание на симметрию: изменение направления тока на противоположное дает тот же эффект, что и перемена местами полюсов магнита.
Вращение проводника с током в магнитном поле
Проводник с током может не только двигаться из стороны в сторону в магнитном поле, но и вращаться.
Понаблюдаем на опыте. Для этого нам понадобиться конструкция, изображенная на рисунке 5. Рамка ABCD обвита проводником. Получается обмотка, состоящая из большого количества витков проволоки, покрытой изоляцией. Концы этой проволоки подсоединены к металлическим полукольцам 2.
Каждое из этих полуколец прижато к металлическим пластинам — щеткам 1. По этим щеткам проходит ток от источника к рамке с обмоткой. Эти щетки через несколько контактов и подключаются к источнику тока.
А теперь проследим направление тока в рамке. Ток идет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Значит, в части рамки AB ток будет идти вниз (от B к A). В части рамки CD ток будет идти вверх (от D к C).
А теперь вспомним, что рамка у нас находится в магнитном поле. Под его действием одна часть рамки будет отклоняться в одну сторону, а другая часть — в другую. Причина этому — разное направление тока в этих частях. Получается, что рамка повернется.
Вместе с рамкой, повернутся и полукольца. Теперь они прижмутся к другим щеткам. Ток потечет по рамке в другую сторону. И снова магнитное поле будет воздействовать на части рамки с противоположными по направлению токами и заставит ее повернутся. Так и будет продолжаться вращение.
Именно это явление вращения такой своеобразной катушки с током в магнитном поле и используется в устройстве электрических двигателей.
Электрический двигатель
Первый в мире электродвигатель, который можно было применить на практике, был изобретен в 1834 году. Создал его русский ученый Борис Семенович Якоби (рисунок 6).
В применяемых электродвигателях роль рамки с током играет специальный железный цилиндр. Вдоль его боковой поверхности сделаны специальные прорези. В них укладывают витки проволоки (огромное их количество). Эта часть двигателя называется ротором или якорем двигателя (рисунок 7).
Зачем нужен этот цилиндр? Он служит для усиления магнитного поля, которое возникает при протекании тока по виткам проволоки.
Ротор вращается в магнитном поле, которое создается сильным магнитом или электромагнитом. Неподвижный электромагнит называют статором. Он и обмотка подключаются к одному и тому же источнику тока.
Через ротор проходил вал. Можно сказать, что он и является осью вращения. Вал соединяется с другим механизмом, который и приводится ротор во вращение.
Применение электродвигателей
Электрические двигатели постоянного тока широко применяются на транспорте. Например, в электровозах, трамваях, троллейбусах.
Специальные безыскровые двигатели применяются в насосах для выкачивания нефти из скважин.
В технике чаще применяются электродвигатели переменного тока — о них вы узнаете позже. Тем не менее микроэлектродвигатели постоянного тока используются в системах автоматического регулирования и в бытовых приборах. Более мощные электродвигатели используются главным образом для приведения в действие прокатных станов, подъемных кранов и прочего.
Преимущества электродвигателей
Если сравнивать электрические двигатели с тепловыми, то первые обладают рядом серьезных преимуществ:
- РазмерыПри одинаковой мощности электрические двигатели гораздо меньше тепловых.
- ЭкологичностьТепловые двигатели при работе выделяют газы, дым, пар — загрязняют воздух. При работе электродвигателя таких побочных продуктов не возникает.
- Источник питанияДля электродвигателя необходимо подключение к сети, тогда как тепловой двигатель требует запаса топлива и воды.
- МощностьЭлектрический двигатель можно изготовить практически любой мощности. Например, в электробритве двигатель имеет мощность в несколько ватт, а на экскаваторе несколько тысяч киловатт.
- КПДНекоторые электродвигатели имеют КПД, равный $98 \%$. КПД тепловых двигателей намного ниже.
Задания
Включим такой прибор в цепь. Теперь по катушке начинает идти ток. Она же находится в магнитном поля постоянного магнита. Под его действием она начинает поворачиваться (наклоняться). Пружины растягиваются, и стрелка отклоняется от нулевого положения.
В таком автомате стоит два источника тока: один для питания катушки с током, а второй — для электрического звонка (рисунок 10).
Когда температура поднимается, поднимается и столбик ртути в термометре. Когда температура достигает критического значения, контакты замыкаются. Теперь через катушку течет ток. Вокруг нее возникает магнитное поле. Она притягивает к себе якорь. Замыкается вторая часть цепи — с электрическим звонком. Звонок подает звуковой сигнал.
Такие автоматы удобно применять, когда температура имеет большое значение. Например, в теплицах или инкубаторах.
Средства защиты от электроударов ↑
Если автоматы, пробки и другие защитные устройства не срабатывают на возникшую неисправность, и в результате образуется пробой внутренней изоляции, на металлическом корпусе установки возникает повышенное напряжение. Касание человеком такого прибора может привести к параличу мышц (при силе тока 20-25 мА), препятствующему самостоятельному отрыву от контакта, аритмии, нарушениям тока крови (при 50-100 мА) и даже летальному исходу.
Если части электроустановки в силу технических особенностей должны находиться под напряжением, то их обязательно ограждают в соответствии с общепринятой техникой безопасности, например, специальными кожухами, барьерами или сетчатыми заграждениями. Для того чтобы предотвратить случайное поражение током при повреждении изоляционных слоев, применяется защитное заземление и зануление. Чтобы понять, чем отличается заземление от зануления, нужно знать, что они собой представляют.
Классификация систем заземления ↑
В зависимости от схемы соединения и количества нулевых защитных и рабочих проводником можно выделяются следующие системы заземления электроустановок:
- TN-C;
- TN-C-S;
- TT;
- IT.
Первая буква в названии системы говорит о типе заземления источника питания:
- I – токоведущие части полностью изолированы от земли;
- T – нейтраль источника питания соединяется с землей.
По второй букве можно определить, каким образом заземлены открытые проводящие части электроустановки:
- N – непосредственная связь с точкой заземления источника питания;
- T – непосредственная связь с землей.
Буквы, стоящие сразу за N, через дефис, говорят о способе устройства защитного PE и рабочего N нулевых проводников:
- C – функции проводников обеспечиваются одним проводником PEN;
- S – функции проводников обеспечиваются разными проводниками.
Устаревшая система TN-C ↑
Такое заземление электроустановок используется в трехфазных четырехпроводных и однофазных двухпроводных сетях, которые преобладают в зданиях старого образца. К сожалению, эта система, несмотря на свою простоту и доступность, не позволяет достичь высокого уровня электробезопасности и на вновь строящихся зданиях не применяется.
Для модернизации старых домов TN-C-S ↑
Защитное заземление электроустановок такого типа используется преимущественно в реконструируемых сетях, где рабочий и защитный проводники объединены во вводном устройстве схемы. Другими словами, эта система используется в том случае, если в старом здании, где эксплуатируется заземление типа TN-C, планируется расположить компьютерную технику или другие телекоммуникации, то есть для осуществления перехода к системе TN-S. Эта относительно недорогая схема отличается высоким уровнем безопасности.
Специфика системы TN-S ↑
Такая система отличается расположением нулевого и рабочего проводников. Здесь они прокладываются отдельно, причем нулевой защитный проводник PE соединяет сразу все токопроводящие части электроустановки. Чтобы избежать повторного заземления, достаточно устроить трансформаторную подстанцию, имеющую основное заземление. К тому же такая подстанция позволяет добиться минимальной длины проводника от входа кабеля в электроустановку до заземляющего устройства.
Система TT, особенности ↑
Система, где все токоведущие открытые части непосредственно связаны с землей, причем заземлители электроустановки не имеют электрической зависимости от заземлителя нейтрали подстанции, получила название TT.
Характерные отличия системы IT ↑
Отличием этой системы является изоляция нейтрали источника питания от земли или ее заземление через устройства с большим сопротивлением. Такой способ позволяет максимально снизить ток утечки на корпус или в землю, поэтому его лучше использовать в зданиях, где установлены жесткие требования по электробезопасности.
Зануление и заземление
Главная разница между занулением и заземлением заключается в том, что при заземлении безопасность обеспечивается быстрым снижением напряжения тока, а при занулении – отключением участка цепи, в котором случился пробой тока на корпус или любую другую часть электроустановки, при этом в промежуток времени между замыканием и прекращением подачи питания происходит снижение потенциала корпуса электроустановки, в противном случае через тело человека пройдет разряд электрического тока.
Требования к заземлению (занулению) ↑
Во всех электроустановках, где нейтраль изолирована, обязательно выполняется защитное заземление, а также должна предусматриваться возможность быстрого поиска замыканий на землю.
Если устройство имеет глухозаземленную нейтраль, а его напряжение менее 1000 В, то можно применять только зануление. При оснащении такой электроустановки разделяющим трансформатором, вторичное напряжение должно быть не более 380 В, понижающим – не более 42 В. При этом от разделяющего трансформатора разрешается питать только один электроприемник с номинальным током защитного устройства не более 15 А. В этом случае запрещается заземление или зануление вторичной обмотки.
Если нейтраль трехфазной сети до 1000 В изолирована, то такие электроустановки должны иметь защиту от пробоя в результате повреждения изоляции между обмотками трансформатора и пробивной предохранитель, который монтируется в нейтраль или фазу со стороны нижнего напряжения.
Что и когда необходимо заземлять ↑
Защитное заземление и зануление электроустановок необходимо проводить в следующих случаях:
- При переменном номинальном напряжении свыше 42 В и постоянном номинальном свыше 110 В особо опасных и наружных установках.
- При переменном напряжении свыше 380 В и постоянном свыше 440 В в любых электроустановках.
Заземляются корпуса электроустановок, приводы аппаратов, каркасы и металлические конструкции распределительных шкафов и щитов, вторичные обмотки трансформаторов, металлические оболочки кабелей и проводов, кабельные конструкции, шинопроводы, короба, тросы, стальные трубы электропроводки и электрооборудование, расположенное на движущихся частях механизмов.
В жилых и общественных зданиях обязательно подлежат занулению (заземлению) электроприборы мощностью свыше 1300 Вт.
ли подвесные потолки выполнены из металла, то необходимо заземлить все металлические корпуса осветительных приборов. Ванны и душевые поддоны, выполненные из металла, должны соединяться с водопроводными трубами металлическими проводниками. Делается это для выравнивания электрических потенциалов. Для заземления корпусов кондиционеров воздуха, электроплит и других электроприборов, мощность которых превышает 1300 Вт, применяется отдельный проводник, присоединяемый к нулевому проводнику сети питания. Его сечение и сечение фазного провода, проложенного от распределительного щита, должны быть равными.
С полным перечнем оборудования, требующего заземления или зануления, а также устройств, где наоборот, допускается пренебречь этими защитными мероприятиями, можно ознакомиться в ПУЭ (Правилах устройства электроустановок). Здесь же можно найти все основные правила заземления электроустановок.
Устройство заземления и зануления — это весьма ответственная работа. Малейшая ошибка в расчетах или пренебрежение, казалось бы, одним незначительным требованием может привести к большой трагедии. Выполнять заземление обязаны только люди, имеющие необходимые знания и опыт работы.
Разница между занулением и заземлением
Между занулением и заземлением имеются отличия:
- В случае заземления лишний ток и появившееся на корпусе напряжение перенаправляются в грунт. Принцип действия зануления основан на обнулении на щитке.
- Заземление более эффективно с точки зрения защиты человека от удара током.
- Заземление основано на быстром и значительном уменьшении напряжения. Тем не менее, какое-то (уже неопасное) напряжение остается.
- Зануление заключается в создании соединения между металлическими деталями, в которых отсутствует напряжение. Принцип зануления основан на умышленном создании короткого замыкания при пробое изоляции или попадании тока на нетоковедущие части электроустановок. Как только происходит замыкание, в дело вступает автоматический выключатель, перегорают предохранители или срабатывают иные средства защиты.
- Заземление чаще всего используют на линиях с изолированной нейтралью в системах типа IT и TT в трехфазных сетях, где напряжение не превышает тысячи вольт. Заземление применяют при напряжении более тысячи вольт с нейтралью в любом режиме. Зануление используют в глухозаземленных нейтралях.
- При занулении все элементы электроприборов, не находящиеся в стандартном режиме под напряжением, соединяются с нулем. Если фаза случайно коснется зануленных элементов, резко увеличивается ток и отключается электрооборудование.
- Заземление не зависит от фаз электроприборов. Для организации зануления требуется соблюдение жестких условий подключения.
- В современных домах зануление применяется редко. Однако этот способ защиты все еще встречается в многоэтажных домах, где по каким-либо причинам нет возможности организовать надежное заземление. На предприятиях, где имеются повышенные нормативы по электробезопасности, основной способ защиты — зануление.
Обратите внимание! Для правильного определения нулевых точек и выбора способа защиты понадобится помощь квалифицированного электрика. Сделать заземление, собрать элементы контура и установить его в грунт можно и своими руками.
Схема работы
Как было сказано выше, зануление основано на провоцировании короткого замыкания после попадания фазы на металлический корпус электроустановки, соединенной с нулем. Так как сила тока возрастает, подключается защитный механизм, отключающий электропитание.
По нормативам Правил установки электроустановок в случае нарушения целостности линии она должна отключаться автоматически. Регламентируется время на отключение — 0,4 секунды (для сетей 380/220В). Для отключения используются специальные проводники. Например, в случае однофазной проводки задействуется третья жила кабеля.
Для правильного зануления важно, чтобы петля фазы-нуля характеризовалась невысоким сопротивлением. Так обеспечивается срабатывание защиты за нужный промежуток времени.
Организация зануления требует высокой квалификации, поэтому такие работы должны выполнять только квалифицированные электрики.
На схеме ниже показан принцип работы системы:
Область применения
Защитное зануление используют в электроустановках с четырехпроводными электросетями и напряжением до 1 кВт в следующих случаях:
- в электроустановках с глухозаземленной нейтралью в сетях TN-C-S, TN-C, TN-S с проводниками типов N, PE, PEN;
- в сетях с постоянным током и заземленной средней точкой источника;
- в сетях с переменным током и тремя фазами с заземленным нулем (220/127, 660/380, 380/220).
Сети 380/220 допускаются в любых сооружениях, где зануление электроустановок обязательно. Для жилых помещений с сухими полами зануление обустраивать не нужно.
Электрооборудование 220/127 используются в специализированных помещениях, где отмечается повышенный риск поражения током. Такая защита необходима в условиях улицы, где занулению подлежат металлические конструкции, к которым прикасаются работники.
Проверка эффективности зануления
Чтобы проверить, насколько действенно зануление, нужно сделать замер сопротивления петли фаза-ноль в наиболее отдаленной от источника электропитания точке. Это даст возможность проверить защищенность в случае воздействия тока на корпус.
Сопротивление измеряется с использованием специализированной аппаратуры. Измерительные приборы оснащены двумя щупами. Один щуп направляют на фазу, второй — на зануленную электроустановку.
По результатам измерений устанавливают уровень сопротивления на петле фазы и нуля. С полученным результатом рассчитывают ток однофазного замыкания, применяя закон Ома. Расчетное значение тока однофазного замыкания должно быть равно или превышать ток срабатывания защитного оборудования.
Предположим, что для предохранения электроцепи от перегрузок и коротких замыканий подключен автомат-выключатель. Ток срабатывания составляет 100 Ампер. По результатам измерений сопротивление петли фазы и нуля равно 2 Ом, а фазовое напряжение в сети — 220 Вольт. Делаем расчет тока однофазного замыкания на основе закона Ома:
I = U/R = 220 Вольт/2 Ом = 110 Ампер.
Поскольку расчетный ток короткого замыкания превышает ток мгновенного срабатывания автомата-выключателя, делаем вывод об эффективности защитного зануления. В противном случае понадобилась бы замена автомата-выключателя на прибор с меньшим током срабатывания. Другой вариант решения проблемы — сокращение сопротивления петли фаза-ноль.
Нередко при проведении расчетов ток срабатывания автомата умножают на коэффициент надежности (Кн) или коэффициент запаса. Причина в том, что отсечка не всегда равна указанному показателю, то есть возможна определенная погрешность. Поэтому использование коэффициента позволяет получить более надежный результат. Для старого оборудования Кн составляет от 1,25 до 1,4. Для новой техники применяется коэффициент 1,1, так как такие автоматы работают с большей точностью.
