Электрическим двигателем называется устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. В двигателях внутреннего сгорания и паровых турбинах тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, тоже преобразуется в механическую энергию. Какой из типов двигателей более эффективен?
Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера. Чтобы описать способность магнитного поля оказывать силовое воздействие на проводник с током, была введена величина, названная магнитной индукцией B:
где:
F — сила Ампера;
I — сила тока в проводнике;
L — длина проводника.
Электромагнитная индукция
В 1831 г. английский исследователь Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который он назвал индукционным током.
Один из экспериментов Фарадея выглядел следующим образом: при перемещении полосового магнита внутри катушки с витками проводника (туда — обратно) регистрировался электрический ток в цепи, к которой изначально не подключались внешние источники тока.
Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, проходящего через сечение контура, было названо электромагнитной индукцией (ЭМИ). Появление тока в контуре говорит о том, что имеется ЭДС индукции (электродвижущая сила), заставляющая электроны двигаться упорядоченно.
Для вычисления величины тока была введена новая физическая величина, названная магнитным потоком Ф. Для плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле, эта величина по определению равна:
где:
B — магнитная индукция;
S — площадь контура;
α — угол между направлением (вектором) B и нормалью к поверхности рамки.
ЭДС и ток индукции появляются только в том случае, если величина Ф меняется со временем. Если Ф = const, то и I = 0. Если магнитное поле постоянное, то изменения потока Ф во времени можно добиться движением рамки. Например, вращение рамки в постоянном однородном поле будет все время сопровождаться изменением магнитного потока. Второй способ состоит в изменении величины B. Так в эксперименте Фарадея индукционный ток в катушке из металлического провода возникал, когда магнит двигался внутри катушки, что создавало переменный характер магнитной индукции B.
Как устроен электрический двигатель
Открытие Фарадея дало возможность инженерам всех стран использовать ЭМИ для создания электрического двигателя. Типичный электрический двигатель состоит из следующих основных частей:
- Статор — неподвижный электромагнит (набор катушек с сердечниками), который создает магнитное поле внутри двигателя;
- Ротор — набор катушек, закрепленный на валу, который вращается после включения. Ротор электродвигателя также называют якорем. В обмотках якоря наводится ЭДС индукции, в результате чего якорь начинает крутиться и передавать вращающий момент на вал двигателя;
- Коллектор — изолированные друг от друга медные пластинки-контакты, присоединенные к концам катушек;
- Щетки — неподвижные прижимные контакты (графитовые или медно-графитовые), с большой частотой замыкающие и размыкающие пластинки-контакты коллектора.
Так происходит преобразование электрической энергии в механическую, которая затем используется в приборах, станках, автомобилях, медицинской, космической технике и т.д.
КПД электрических двигателей достигает 90%. Рекордные значения превышают и эту величину. Таких КПД не имеют двигатели других типов. Напомним, что КПД двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин не превышает 40-50%.
Электрические двигатели обладают массой преимуществ. Они имеют меньшие размеры по сравнению с тепловыми двигателями такой же мощности. Работа электродвигателей не ухудшает экологию, т.к. у них отсутствуют выбросы вредных газов и дыма. Их не нужно постоянно заправлять топливом. Одним из самых перспективных проектов в мире считается создание электромобиля, что позволит, после его успешной реализации, значительно улучшить экологию городской среды и сократить невосполнимые потери нефтепродуктов.
Первый вариант электрического двигателя, пригодный для практического использования, был изобретен российским инженером Борисом Якоби в 1834 г. Ему удалось довести мощность своего устройства до 550 Вт, что позволило использовать его в качестве лодочного мотора, а позднее и на железнодорожном транспорте.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что электрический двигатель — это устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую. Явление электромагнитной индукции означает, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока возникает электрический ток. Понимание сути этого эффекта позволило создать электродвигатели, в которых основными деталями являются неподвижный статор, вращающийся ротор (якорь), коллектор и щетки. КПД современных электродвигателей намного превышает аналогичный параметр двигателей внутреннего сгорания.
