g9f-2.5· Глава 2: Магнитное поле· ~13 мин

Принцип действия генератора и электродвигателя

Ток при электромагнитной индукции и вращение силой Ампера

Электрический генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую, и его работа основана на явлении электромагнитной индукции. Так как магнитный поток Φ=B⋅S⋅cos⁡α\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha, проходящий через вращающуюся в магнитном поле рамку (катушку), непрерывно изменяется, в рамке возникает индукционный ток; при полном обороте рамки направление тока периодически меняется, то есть получается переменный ток. Электродвигатель же, наоборот, преобразует электрическую энергию в механическую и основан на силе Ампера (F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l), действующей на рамку с током в магнитном поле: силы, направленные на противоположные стороны рамки, образуют пару сил и вращают её. Основными частями обоих устройств являются индуктор (источник магнитного поля) и якорь (катушка). Таким образом, генератор и двигатель построены на обратных друг другу явлениях.

📌Пример

Например: если в поле B=0,5B = 0{,}5 Тл через рамку длиной l=0,2l = 0{,}2 м, проходит ток I=4I = 4 А, то сила Ампера, действующая на одну сторону, равна F=B⋅I⋅l=0,5⋅4⋅0,2=0,4F = B \cdot I \cdot l = 0{,}5 \cdot 4 \cdot 0{,}2 = 0{,}4 Н, и эта сила вращает рамку.

Ключевые термины

Электрический генератор — Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую; основано на электромагнитной индукции.
Электродвигатель — Устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую; основано на силе Ампера.
Электромагнитная индукция — Явление возникновения индукционного тока в рамке при изменении проходящего через неё магнитного потока.
Сила Ампера — Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле: F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l.
Магнитный поток — Величина магнитного поля, проходящего через поверхность: Φ=B⋅S⋅cos⁡α\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha, единица — вебер (Вб).
Индуктор и якорь — Индуктор — источник магнитного поля, якорь — катушка; основные части обоих устройств.
Сравнение генератора и двигателя
ПризнакГенераторДвигатель
Преобразование энергииМеханическая → электрическаяЭлектрическая → механическая
Основное явлениеЭлектромагнитная индукцияСила Ампера
Основная формулаΦ=B⋅S⋅cos⁡α\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alphaF=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l
Основные частиИндуктор и якорьИндуктор и якорь

Генератор и двигатель построены на обратных друг другу явлениях.

Основные величины темы
ВеличинаОбозначениеФормулаЕдиница
Сила АмпераFFF=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot lН
Магнитная индукцияBBB=FI⋅lB = \frac{F}{I \cdot l}Тл
Сила токаIII=FB⋅lI = \frac{F}{B \cdot l}А
Магнитный потокΦ\PhiΦ=B⋅S⋅cos⁡α\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alphaВб

Из формулы F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l можно найти любую из величин.

✎Вычисление силы Ампера (F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l)
  1. 1Дано: B=0,5B = 0{,}5 Тл, l=0,2l = 0{,}2 м, I=4I = 4 А.
  2. 2Формула: F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l.
  3. 3Подстановка: F=0,5⋅4⋅0,2F = 0{,}5 \cdot 4 \cdot 0{,}2.
  4. 4Результат: F=0,4F = 0{,}4 Н — эта сила вращает рамку.
✎Нахождение силы тока (I=FB⋅lI = \frac{F}{B \cdot l})
  1. 1Дано: F=0,9F = 0{,}9 Н, B=0,6B = 0{,}6 Тл, l=0,5l = 0{,}5 м.
  2. 2Формула: Из F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l получаем I=FB⋅lI = \frac{F}{B \cdot l}.
  3. 3Подстановка: I=0,90,6⋅0,5=0,90,3I = \frac{0{,}9}{0{,}6 \cdot 0{,}5} = \frac{0{,}9}{0{,}3}.
  4. 4Результат: I=3I = 3 А.
🚫Частая ошибка

Не учитывать ll в F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l — типичная ошибка: 0,5⋅4⋅0,2=0,40{,}5 \cdot 4 \cdot 0{,}2 = 0{,}4 Н, а не 2 Н.

⚠️Внимание

Не путайте генератор и двигатель: генератор основан на индукции, двигатель — на силе Ампера.

⚠️Внимание

Обращайте внимание на единицы: длина берётся в метрах (0,20{,}2 м), сила — в ньютонах (Н).

💡Заметка

Если магнитный поток остаётся постоянным (поток не изменяется), индукционный ток не возникает.

💡Заметка

Сила Ампера прямо пропорциональна току: если II увеличится в 2 раза, то и FF увеличится в 2 раза.

Правила

  1. 1Генератор преобразует механическую энергию в электрическую (на основе электромагнитной индукции).
  2. 2Так как поток во вращающейся рамке изменяется, возникает переменный индукционный ток.
  3. 3Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую (на основе силы Ампера).
  4. 4В двигателе пара сил, действующих на рамку с током, вращает её: F=B⋅I⋅lF = B \cdot I \cdot l.
  5. 5Генератор и двигатель — обратные друг другу явления; их основные части — индуктор и якорь.

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс