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

10 класс №85

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.

Задачи урока:

образовательные:

• 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.

развивающие:

• 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.

воспитательные:

• 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

Ход урока

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.

1. Важнейшее проявление магнитного поля - это действие его на дви­жущиеся заряды. Для демонстрации этого явления собираем установку из дугообразного постоянного магнита и длинного гибкого провода, присое­диненного последовательно с реостатом к аккумулятору. Горизонтальный участок провода располагают в магнит­ном поле магнита.

При замыкании цепи наблюдается отклонение провода, при размыкании -возвращение его к положению равновесия. Делается вывод; магнитное поле действует с некоторой силой на провод с током.

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

2. Сила Ампера.

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

Из определения магнитной индукции следует, что максимальная сила Ампера равна: F_Amax = BIl.

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.

Определим момент сил, действующих на рамку. Обозначим a и b - длины соответственно горизонтальной и вертикальной сторон рамки, β - угол между плоскостью рамки и линиями магнитного поля. На рисунке показан вид рамки сверху и силы, действующие на вертикальные стороны рамки.

Модуль каждой из этих сил Fa = BIb, момент пары сил равен M = FAl = Blab · cosβ = BIS · cosβ, где S - площадь рамки.

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.

Момент сил равен нулю, если = 0 (в положении устойчивого равновесия) или = 180° (в положении неустойчивого равновесия). В положении устойчивого равновесия силы Ампера пытаются растянуть рамку, а в положении неустойчивого равновесия - сжать.

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

Вращение рамки с током в магнитном поле используют в электрических двигателях - устройствах, в которых электрическая энергия превращается в механическую.

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

1). Проводник нельзя припаять одним концом к контакту на роторе, а вторым - к контакту на статоре (неподвижной части электродвигателя): такой проводник быстро оборвется. Чтобы поддерживать ток в обмотке ротора, изобрели скользящие контакты, а в большинстве электродвигателей переменного тока научились вообще обходиться без контактов, используя явление электромагнитной индукции.

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).

Неподвижную часть электродвигателя называют статором (в переводе с латыни - «неподвижный»). В статоре небольшого электродвигателя расположен постоянный магнит с полюсами специальной формы. В статоре мощного электродвигателя расположен электромагнит.

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).

V. Итоги урока. Рефлексия

VI. Домашнее задание -