Загальна інформація
Застосування
Електромобіль з електродвигуном
Електродвигуни за принципом побудови влаштовані так само, як генератори. Вони перетворюють електричну енергію на механічну. У звичайних електродвигунах котушки провідників, якими тече струм, створюють магнітні поля, взаємні сили притягання і відштовхування яких перетворюються на рух. Тим самим електродвигун є протилежністю дуже схоже влаштованого генератора, який перетворює механічну потужність на електричну. Електродвигуни здебільшого створюють обертальні рухи, але їх можна побудувати й для поступальних рухів (лінійний привід). Електродвигуни застосовують для приводу багатьох пристроїв, робочих машин і транспортних засобів. У звичайному електродвигуні є нерухома зовнішня частина, а також внутрішня частина, яка обертається всередині неї.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
Потрібні базові знання про прості електричні кола та про магнетизм (сили між магнітами, магнітні полюси, магнітні поля тощо).
Принцип
В електродвигуні з постійними магнітами якір (ротор), що є електромагнітом, обертається в магнітному полі постійного магніту. Колектор (комутатор) забезпечує те, що електромагніт після повороту на 180° змінює свою полярність, тож різнойменні полюси електромагніту й постійного магніту щоразу знову притягуються один до одного (відповідно однойменні - відштовхуються), і напрям обертання якоря зберігається.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Електродвигуни за принципом побудовані так само, як генератори. Вони перетворюють електричну енергію на механічну. В електродвигуні з постійними магнітами якір, що є електромагнітом, обертається в магнітному полі постійного магніту.
Завдання
Продемонструй за допомогою моделі двигуна будову та принцип дії двигуна постійного струму з постійними магнітами.
Інша інформація (3/3)
Двигуни постійного струму з постійними магнітами можна застосовувати тоді, коли потрібні лише відносно невеликі потужності двигуна.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія (1/2)
У звичайному електродвигуні є нерухома зовнішня частина, а також внутрішня частина, що обертається в ній. Або одна з них має постійні магніти, а друга - електричні котушки, або ж обидві складові мають котушки. Кожна котушка, через яку тече струм, створює магнітне поле, орієнтація якого (північний полюс/південний полюс) залежить від напряму струму - якщо струм тече через котушку у протилежному напрямі, то й магнітне поле обертається. Завдяки постійному перемиканню напряму струму, тобто відповідній "зміні полярності" котушок під час обертання, досягається неперервне обертання внутрішньої частини.
В електродвигуні з постійними магнітами якір (ротор), що є електромагнітом, обертається в магнітному полі постійного магніту. Колектор (комутатор) забезпечує те, що електромагніт після повороту на 180° змінює свою полярність, тож різнойменні полюси електромагніту й постійного магніту щоразу знову притягуються один до одного (відповідно однойменні - відштовхуються), і напрям обертання якоря зберігається.
Теорія (2/2)
Нерухому магнітно-активну частину електродвигуна називають статором. В електродвигунах статор здебільшого розташований зовні й з'єднаний з корпусом; якщо статор розташований усередині, то такий двигун називають „двигуном із зовнішнім ротором“. Корпус статора здебільшого є також носієм механічних кріпильних елементів.
Рухому (здебільшого: обертову) магнітно-активну частину електродвигуна, яка обертає вал двигуна, називають ротором. Він складається з вала, якоря й котушки, якщо якір не є постійним магнітом.
Якір - це залізне осердя ротора, навколо якого намотано котушку (котушки) ротора.
Полюсний наконечник - це схожий на черевик виступ заліза магнітного осердя, який має спрямовувати/зосереджувати магнітне поле в цьому місці.
Комутатор - це диск з електричними контактами, які є сегментами диска. Диск обертається разом із валом ротора. До контактів приєднано котушки; диск комутатора під час одного оберту змінює полярність котушок. Точний принцип дії пояснено в наступному розділі.
Обладнання
Складання та виконання
Складання
- Склади дослід відповідно до рисунка ліворуч із розімкненим вимикачем.
- Встанови модель двигуна на тримач і прикрути її, поклади магніт на модель двигуна й установи діапазон вимірювання .
Виконання (1/2)
- Подай робочу напругу -, установи якір моделі двигуна горизонтально й замкни вимикач. Спостерігай за якорем (1).
- Розімкни вимикач і встанови якір вертикально.
- Замкни вимикач і спостерігай за якорем (2).
- Змінюй робочу напругу при працюючому двигуні між і . Звертай при цьому увагу на частоту обертання якоря (3) і запам'ятай напрям його обертання.
Виконання (2/2)
- За розімкненого вимикача зміни полярність поля двигуна, переклавши магніт (помінявши місцями розташування полюсів), і встанови якір вертикально.
- Замкни вимикач, спостерігай за напрямом обертання якоря й порівняй його з попереднім напрямом обертання (4).
- Розімкни вимикач, зміни полярність ротора і знову встанови якір вертикально.
- Замкни вимикач, спостерігай і порівняй напрям обертання (5).
- Загальмуй двигун, натиснувши пальцем на шків. Звертай увагу на відхилення стрілки амперметра під навантаженням і запиши виміряні значення (6).
Спостереження та опрацювання результатів
Спостереження
(1) За горизонтального положення якоря двигун не запускається.
(2) За вертикального положення якоря двигун запускається.
(3) Що вища робоча напруга, то швидше працює двигун.
(4) Якщо поміняти місцями полюси магніту, напрям обертання змінюється на протилежний.
(5) Якщо змінити полярність робочої напруги, напрям обертання так само змінюється на протилежний.
(6) Якщо двигун навантажити гальмуванням якоря, то робоча сила струму зростає приблизно з до приблизно .
Опрацювання результатів
Електродвигуни за принципом побудовані так само, як генератори. Вони перетворюють електричну енергію на механічну. В електродвигуні з постійними магнітами якір (ротор), що є електромагнітом, обертається в магнітному полі постійного магніту. Колектор (комутатор) забезпечує те, що електромагніт після повороту на 180° змінює свою полярність, тож різнойменні полюси електромагніту й постійного магніту щоразу знову притягуються один до одного (відповідно однойменні - відштовхуються), і напрям обертання якоря зберігається.
Оскільки напрям обертання якоря змінюється на протилежний після зміни полярності робочої напруги, цей тип двигуна не можна живити змінною напругою.
Двигун працює швидше, якщо підвищити робочу напругу. Якщо його навантажити, його робоча сила струму зростає, через це зростає обертальний момент (пусковий момент) якоря, і таким чином потужність двигуна пристосовується до навантаження.