Физическое явление электродвигатель: Электродвигатель — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Консультация ОГЭ по физике . Сопоставление элементов.

#9 класс #Физика #Учебно-методические материалы #Презентация #Все учителя #Учитель-предметник #Студент-практикант #Школьное образование

Консультация ОГЭ по физике . Сопоставление элементов. Подготовила учитель физики: Борисова Анастасия Евгеньевна МБОУ «СОШ №28»

ОГЭ по физике относится к категории экзаменов на выбор. Он состоит из 25 заданий базового, повышенного и высокого уровня сложности, в том числе 19 с кратким и 6 с развернутым ответом. Примеры вопросов: ОГЭ по физике относится к категории экзаменов на выбор. Он состоит из 25 заданий базового, повышенного и высокого уровня сложности, в том числе 19 с кратким и 6 с развернутым ответом. Примеры вопросов: Выбрать несколько правильных вариантов из предложенных. Проанализировать текст. Сопоставить физические величины с единицами измерения или измерительными приборами. Сделать лабораторную работу и оформить отчет по ней. Решить расчетную задачу и др.

1.Установите соответствие между устройствами и физическими явлениями, которые используются в этих устройствах. Для каждого устройства из первого столбца подберите соответствующее физическое явление из второго столбца. 1.Установите соответствие между устройствами и физическими явлениями, которые используются в этих устройствах. Для каждого устройства из первого столбца подберите соответствующее физическое явление из второго столбца. УСТРОЙСТВА А) масс-спектрометр Б) электродвигатель постоянного тока ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) взаимодействие постоянных магнитов 4) взаимодействие неподвижных заряженных частиц Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. A Б    

Решение. Решение. Масс-спектрометр — аналитический прибор для определения масс частиц вещества по движению ионов вещества в магнитном поле.

(А — 1). Электродвигатель постоянного тока — двигатель, преобразующий электрическую энергию в движение при помощи взаимодействия магнитного поля и проводника с током. (Б — 2).

2.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 2.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) зеркальный перископ Б) проекционный аппарат ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) отражение света 2) полное внутреннее отражение света 3) поглощение света 4) преломление света Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Перископ — оптический прибор для наблюдения из укрытия. Простейшая форма перископа — труба, на обоих концах которой закреплены зеркала, которые позволяют отражать свет. (А — 1). Решение. Перископ — оптический прибор для наблюдения из укрытия. Простейшая форма перископа — труба, на обоих концах которой закреплены зеркала, которые позволяют отражать свет. (А — 1). Проекционный аппарат — оптическое устройство, формирующее изображения на экране. Для формирования такого изображения и для его фокусировки используют линзы, в которых происходит преломление света. (Б — 4). Ответ: 14.

3.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 3.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) тепловизор (прибор ночного видения, основанный на улавливании тепловых лучей) Б) приборы для получения снимков участков скелета человека ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) излучение нагретым телом инфракрасных лучей 2) рентгеновское излучение 3) отражение световых лучей 4) дисперсия света Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. Тепловизор использует тот факт, что любое нагретое тело излучает инфракрасное излучение, по которому можно судить об исходной температуре. (А — 1). Снимки участков тела человека получаются при помощи рентгеновским лучей. (Б — 2). Ответ: 12.

4.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 4.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) термометр для бесконтактного измерения температуры тела Б) призменный спектроскоп ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) излучение нагретым телом инфракрасных лучей 2) рентгеновское излучение 3) отражение световых лучей 4) дисперсия света Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. Термометр для бесконтактного измерения температуры тела использует тот факт, что любое нагретое тело излучает инфракрасное излучение, по которому можно судить об исходной температуре. (А — 1). Задача спектроскопа — выделить из спектра электромагнитное излучение разных длин волн. Таким образом, в составе призменного спектроскопа пристствует линза, которая позволяет наблюдать дисперсию света. (Б — 4). Ответ: 14.

5.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 5.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) лампы в соляриях Б) проекционный аппарат ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) отражение света 2) преломление света 3) гамма-излучение 4) ультрафиолетовые волны Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. Лампы в соляриях используют электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями (А — 4). Проекционный аппарат — оптическое устройство, формирующее изображения на экране. Для формирования такого изображения и для его фокусировки используют линзы, в которых происходит преломление света. (Б — 2). Ответ: 42.

6.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 6.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) электродвигатель постоянного тока Б) электродинамический микрофон ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) поляризация молекул диэлектрика в электростатическом поле 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу 4) электромагнитная индукция Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. Электродвигатель постоянного тока — электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. В основе работы электродвигателя лежит действие магнитного поля на проводник с током. (А — 2). Электродинамический микрофон представляет собой мембрану, соединённую с проводником, который помещен в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Колебания давления воздуха (звук) воздействуют на мембрану и приводят в движение проводник. Когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в нём наводится ЭДС индукции. ЭДС индукции пропорциональна как амплитуде колебаний мембраны, так и частоте колебаний. (Б — 4). Ответ: 24.

7.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 7.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) трансформатор Б) лампа накаливания ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) взаимодействие постоянных магнитов 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) электромагнитная индукция 4) тепловое действие тока Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. Трансформатор — это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Преобразование происходит посредством электромагнитной индукции (А — 3). Лампа накаливания — искусственный источник света, в котором свет испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. (Б — 4). Ответ: 34.

8.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 8.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) электропаяльник Б) индукционная плита ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) электромагнитная индукция 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) тепловое действие тока 4) взаимодействие постоянных магнитов Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. В электропаяльнике происходит нагрев рабочей поверхности за счет прохождения по ней электрического тока, что является подтверждением теплового действия тока. (А — 3). Индукционная плита — кухонная электрическая плита, разогревающая металлическую посуду индуцированными вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным магнитным полем частотой 20–100 кГц. В ее принципе действия лежит явление электромагнитной индукции. (Б — 1). Ответ: 31.

9.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 9.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) компас Б) электрический утюг ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) взаимодействие постоянных магнитов 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) тепловое действие тока 4) химическое действие тока Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. В основе работы компаса лежит явление взаимодействия постоянного магнита с магнитным полем Земли. (А — 1). В электрическом утюге происходит нагрев поверхности утюга за счет прохождения по нему электрического тока, что является подтверждением теплового действия тока. (Б — 3). Ответ: 13.

10.Установите соответствие между примерами и физическими явлениями, которые эти примеры иллюстрируют. Для каждого примера проявления физических явлений из первого столбца подберите соответствующее название физического явления из второго столбца. 10.Установите соответствие между примерами и физическими явлениями, которые эти примеры иллюстрируют. Для каждого примера проявления физических явлений из первого столбца подберите соответствующее название физического явления из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) двигатель постоянного тока Б) лампа накаливания ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) воздействие постоянных магнитов 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) тепловое действие тока 4) химическое действие тока Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. В основе работы двигателя постоянного тока лежит явление взаимодействие магнитного поля с проводником по которому течет ток. (А — 2). В лампе накаливания происходит нагрев тугоплавкого материала за счет прохождения по нему электрического тока. (Б — 3). Ответ: 23.

11.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. 11.Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) ванна для получения чистых металлов путем электролиза Б) электрический кипятильник ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) взаимодействие постоянных магнитов 2) действие магнитного поля на проводник с током 3) тепловое действие тока 4) химическое действие тока Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Решение. В отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитах ими служат ионы. При прохождении электрического тока через электролит на электродах оседают вещества, которые содержатся в виде химического соединения в электролите. Таким образом, наблюдается химическое действие электрического тока. (А — 4). В электрическом кипятильнике происходит нагрев рабочей поверхности за счет прохождения по ней электрического тока, что является подтверждением теплового действия тока. (Б — 3). Ответ: 43.

12.Установите соответствие между устройствами и видами электромагнитных волн, которые используются в этих устройствах. Для каждого устройства из первого столбца подберите соответствующий вид электромагнитных волн из второго столбца. 12.Установите соответствие между устройствами и видами электромагнитных волн, которые используются в этих устройствах. Для каждого устройства из первого столбца подберите соответствующий вид электромагнитных волн из второго столбца. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА А) прибор для определения переломов костей Б) кварцевые лампы, широко используемые для дезинфекции воздуха, воды ВИДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 1) гамма-излучение 2) инфракрасные 3) рентгеновские 4) ультрафиолетовые Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Как моделировать сложные электродвигатели

В течение многих лет лучшая практика подготовки 3D-модели для расчета электродвигателя включала сначала импорт трехмерной геометрии, а затем определение области для задания циклической симметрии. Наличие у системы подобной симметрии сильно облегчало решение задачи. В таких случаях мы сначала с помощью двух секущих плоскостей выделяли область с циклической симметрий, а затем определяли на этих плоскостях соответствующее граничное условие симметрии. Этот подход и по сей день остается актуальным и используется для уменьшения размера расчетной области и сокращения общего времени вычислений для выполнения и без того дорогостоящего итерационного анализа. Благодаря такому подходу, при создании сетки можно использовать более симметричные и регулярные топологии сетки, чтобы минимизировать влияние численного метода решения дифференциальных уравнений (МКЭ) на общее прогнозирование производительности двигателя.

Однако проблемы, с которыми сталкиваются конструкторы при усложнении геометрии электродвигателя, по-прежнему остаются актуальны. Для асинхронных электродвигателей со скошенными пазами ротора и/или статора при моделировании приходится искать компромисс между геометрической симметрией и электромагнитными граничными условиями. Несмотря на то, что для расчета характеристик двигателя используется симметричная геометрия, любой проектировщик также хотел бы визуализировать результаты электромагнитных расчетов в полноценном трехмерном представлении.

Сложная 3D-геометрия компонентов двигателя

Проблемы при моделировании электромагнитных полей электродвигателя усложняются по мере добавления различных физических эффектов в задачу, например, анализа шума и вибраций или расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкции двигателя. Еще ряд проблем связан с оценкой теплового состояния электродвигателя, поскольку для соблюдения конкретных физических условий могут потребоваться полноценные трехмерные расчеты без использования упрощений в виде симметричных граничных условий.

Как сегодня конструкторы работают со сложной 3D-геометрией

Существует ряд ошибок, связанных с тем, как конструкторы обычно подходят к построению сложных 3D-геометрий.

Например, при импорте полной геометрии электродвигателя из САПР-систем она может быть избыточной с точки зрения электромагнитного расчета двигателя. Для удаления лишних элементов необходимо потратить время. При этом создание геометрии с нуля требует навыков работы с САПР, а также времени и денежных затрат.

Как уже было сказано, определение области с циклической симметрией (3D-сегмента) с помощью двух секущих плоскостей не всегда отражает физическую симметрию, особенно если в двигателе есть скошенные элементы. Выделение отдельного 3D-сегмента с симметричными граничными условиями затрудняет дальнейший перенос рассчитываемых электромагнитных величин (потерь или сил) на полную 3D-геометрию, когда требуется провести тепловой анализ или моделирование шума, вибрации и расчеты НДС при выполнении многодисциплинарных связанных расчетов.

Наконец, все операции с сеткой, необходимые для обеспечения точности моделирования, требуют знаний о влиянии сетки на решение задачи методом конечных элементов.

Электромагнитный анализ (field calculation) с циклосимметрией с использованием неплоских граничных условий

Nonplanar – неплоский срез

Для решения этих задач в Ansys Maxwell доступно решение, позволяющее импортировать полную 3D-геометрию двигателя из любой САПР-системы.

На основе выделенного 3D-сегмента Maxwell автоматически создает трехмерную модель, применяя обрезанные граничные условия и создавая регулярную и симметричную сетку.

Отображение электромагнитных полей по всей окружности с обозначением плотности магнитного потока и плотности тока

Такой подход позволяет Maxwell выполнять расчеты на фрагменте геометрии и отображать результаты на исходной полной 3D-геометрии. Более того, при решении электромагнетной задачи на фрагменте конструкции Maxwell позволяет подключить сторонние решателя для оценки температурного состояния и выполнения гармонического анализа, для которых требуется полная 3D-геометрия в силу природы того или иного физического явления, и выполнять связанные расчеты. Главное преимущество этого метода заключается в возможности использования неплоских срезов для задания требуемой электромагнитной симметрии через небольшой сегмент конструкции. Это позволяет получить наиболее точную и симметричную сетку даже тех роторов и статоров, которые имеют перекошенные компоненты, не увеличивая время и стоимость вычислений.

Без сомнения, новая методология становится передовым методом для моделирования конструкции двигателя со сложной трехмерной геометрией. Это мощное решение, которое позволяет начинающим и опытным инженерам быстро работать над проектом и решать задачи моделирования с рекордной скоростью и точностью.

Узнайте о других возможностях Ansys Maxwell вы можете на вебинарах:

Экспорт и анализ торцевого двигателя в Ansys Maxwell

Вибрационно-акустический анализ электродвигателей средствами Ansys

Оригинал статьи: https://www. ansys.com/blog/how-to-simulate-complex-electric-motors

Двигательный эффект: научный проект по магнетизму и электричеству

Это простое устройство показывает, что когда электрический ток течет через магнитное поле, на ток действует сила. Эту силу можно использовать для создания электродвигателя.

Тема:

Инженерия и технология

Реальные проблемы и решения

Физика

Электричество и магнетизм

Механика

Ключевые слова: электромагнит

0003

exhibit-based

NGSS and EP&Cs:

PS2

PS3

CCCs

Cause and Effect

Energy And Matter

Video Demonstration

Tools and Materials

От двух до четырех небольших дисковых магнитов
Одна или две 1,5-вольтовые батарейки для фонарика.
От двух до трех футов (от 60 см до 1 метра) гибкого провода, такого как одножильный или многожильный соединительный провод или магнитный провод.
Изоляционная лента
Наждачная бумага
Стол
Партнер

Сборка

Снимите изоляцию с концов провода. (Используйте нож для многожильного провода или используйте наждачную бумагу, чтобы удалить почти невидимую изоляционную эмаль с магнитного провода.)
Приклейте батарейку (или две) к краю стола. Если вы используете две батареи, закрепите их лентой так, чтобы они были расположены последовательно, при этом положительный вывод одной батареи касался отрицательного вывода другого аккумулятора.
Рядом с клеммой каждой батареи приклейте концы провода к столу. Позвольте оставшейся части проволоки свисать над краем стола в виде петли.
Сгруппируйте дисковые магниты в одну цилиндрическую кучу.

Действия и уведомления

Попросите одного человека у края стола держать сгруппированные магниты рядом с нижней частью петли из проволоки.

На столе попросите другого человека прикоснуться одним концом провода к положительной стороне батареи (или батарей) и одновременно прикоснуться другим концом провода к отрицательной стороне. (См. фотографии вверху.) Проволочная петля будет прыгать в том или ином направлении.

Если вы измените направление тока, провод перескочит в противоположном направлении. Чтобы изменить направление тока, подключите провод, который был подключен к положительному концу батареи, к отрицательному концу и наоборот.

Посмотрите, что еще произойдет, если вы измените ориентацию магнитов или подержите их в другом месте рядом с проводом.

Что происходит?

Магнитное поле дисковых магнитов воздействует на электрический ток, протекающий по проводу. Провод будет двигаться вверх или вниз, вперед или назад, в зависимости от направления тока и направления магнитного поля дисков.

Чтобы предсказать направление движения, вы можете использовать математический инструмент, называемый правилом правой руки . Поместите правую руку рядом с отрезком провода, который проходит между магнитами диска. Сделайте ладонь ровной, большой палец должен быть отведен в сторону — большой палец должен быть под прямым углом к остальным. Поместите руку так, чтобы большой палец указывал вдоль провода в направлении, в котором протекает электрический ток (ток течет от положительного полюса батареи к отрицательному полюсу), а пальцы указывали от северного полюса дисковых магнитов к их южный полюс. (Вы можете найти северный полюс магнитов с помощью компаса; южный конец компаса будет указывать на северный полюс магнита.) Затем ваша ладонь будет естественным образом «толкать» в направлении магнитной силы, действующей на провод. .

Отклоняющая сила, которую магнит оказывает на провод с током, является механизмом работы большинства электродвигателей. Любопытно (и к счастью для нашего чувства симметрии!), обратный эффект также верен: переместите петлю провода через полюс магнита, и по проводу начнет течь ток. Это, конечно, принцип электрического генератора. Электрический ток, который вы генерируете, перемещая эту единственную петлю провода через слабое магнитное поле дисковых магнитов, слишком слаб, чтобы его можно было обнаружить любыми микроамперметрами, кроме самых чувствительных.

Дальше

Этот эксперимент создает лишь короткий импульс движения. Мотор требует непрерывного движения. Эта проблема была первоначально решена в начале 1800-х годов изобретением коммутаторов. Коммутатор представляет собой скользящий контакт, который не только создает электрический контакт с вращающейся проволочной петлей, но и позволяет изменять направление тока на противоположное каждые полпериода вращения.

Первые электродвигатели были сконструированы в 1821 году Майклом Фарадеем в Англии и усовершенствованы в 1831 году Джозефом Генри в Соединенных Штатах.

Сопутствующие закуски

Мотор в разобранном виде

Сделать простой мини-мотор.

Магнитные маятники

Медные катушки становятся электромагнитными качелями.

Генератор в разобранном виде

Встряхните как раз, чтобы увидеть свет.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Атрибуция: Педагогический институт Exploratorium

Различия между электродвигателями и генераторами

Некогда экспериментальная новинка, электричество теперь совершенно необходимая часть современной жизни. Электричество обеспечивает освещение, климат-контроль, развлечения и многое другое. Чтобы обеспечить электроэнергию, энергия преобразуется из других форм в электричество, приводя в действие системы и устройства, которые люди склонны воспринимать как должное.

Преобразование энергии из одной формы в другую является ключом к пониманию различий между электродвигателями и генераторами. Электродвигатель преобразует электричество в механическую энергию, обеспечивая источник энергии для машин. Генератор делает обратное, преобразуя механическую энергию в электричество.

Несмотря на это существенное различие в функциях, электродвигатели и электрические генераторы тесно связаны лежащими в их основе механизмами и фундаментальной структурой. Оба основаны на важном законе физики: законе электромагнитной индукции Фарадея.

Закон электромагнитной индукции Фарадея: электричество и магнетизм

Сегодня хорошо известно, что электричество и магнетизм являются двумя проявлениями одной фундаментальной силы, называемой электромагнетизмом. Центральное место во вселенной, какой мы ее знаем, считается, что электромагнитная сила существовала в ее нынешней форме где-то между 10 ¹² и 10 ⁶ секунд после Большого Взрыва.

В 1831 году физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, выявив тесную связь между наблюдаемыми явлениями магнетизма и электричества. Интересно, что в 1832 году ее независимо обнаружил другой исследователь, Джозеф Генри. Фарадей был первым, кто опубликовал свои открытия, и по сей день ему приписывают это открытие. Позже Джеймс Клерк Максвелл открыл способ математически сформулировать открытия Фарадея, что привело к разработке уравнения Максвелла-Фарадея.

Закон индукции Фарадея — это закон физики, разработанный для точного предсказания и измерения того, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). ЭМП преобразуют другие формы энергии, такие как механическая энергия, в электрическую энергию. Именно этот закон физики позволяет нам создавать как электрические двигатели, так и электрические генераторы. Хотя эти два типа механизмов выполняют противоположные функции, они оба основаны на одних и тех же основных законах физики.

Электрические генераторы: преобразование механической энергии в электрическую

В соответствии с законом индукции Фарадея, всякий раз, когда происходит изменение магнитного поля в проводнике, например, в проволочной катушке, электроны вынуждены двигаться перпендикулярно этому магнитному полю. Это создает электродвижущую силу, которая создает поток электронов в одном направлении. Это явление можно использовать для производства электроэнергии в электрогенераторе.

Чтобы создать этот магнитный поток, магниты и проводник перемещаются друг относительно друга. Провода наматываются в тугие катушки, увеличивая количество проводов и результирующую электродвижущую силу. Непрерывное вращение катушки или магнита при сохранении другого на месте дает постоянное изменение потока. Вращающийся компонент называется «ротором», а неподвижный компонент называется «статором».

Электрические генераторы делятся на две большие категории: «динамо-машины», которые генерируют постоянный ток, и «альтернаторы», которые генерируют переменный ток.

Динамо-машина была первой формой электрического генератора, которая использовалась в промышленности. Во время промышленной революции его изобрели независимо друг от друга несколько человек. Электрическая динамо-машина использует вращающиеся катушки проволоки и магнитные поля для преобразования механической энергии в постоянный ток (DC). Исторически динамо-машины использовались для выработки электроэнергии, часто используя пар в качестве источника для выработки необходимой механической энергии.

Сегодня электрическая динамо-машина практически не используется, за исключением нескольких приложений с низким энергопотреблением. Генераторы гораздо более распространены для производства электроэнергии. Этот тип генератора преобразует механическую энергию в переменный ток. Вращающийся магнит служит ротором, вращаясь внутри набора проводящих катушек на железном сердечнике, который служит статором. Когда магнитное поле вращается, оно генерирует переменное напряжение в статоре. Магнитное поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитом с катушкой возбуждения.

Автомобильный генератор переменного тока, а также центральные электростанции, обеспечивающие электричеством сеть, являются электрическими генераторами.

Электродвигатели: от электрической энергии к механической энергии

Электрический двигатель действует противоположно электрическому генератору. Вместо того, чтобы превращать механическую энергию в электричество, электродвигатель берет электричество и преобразует его в механическую энергию. Электродвигатели можно найти в самых разных областях применения, от промышленного производственного оборудования до бытовых приборов. Ротор вращает вал для создания механической энергии. Статор состоит из обмоток катушки или постоянных магнитов с сердечником из тонких листов, уложенных друг на друга. Известные как ламинирование, эти слои создают меньшие потери энергии, чем твердая сердцевина. Между ротором и статором имеется небольшой воздушный зазор, который способствует увеличению тока намагничивания.

Хотя электродвигатели могут быть пьезоэлектрическими, электростатическими или магнитными, в подавляющем большинстве современных двигателей используются магниты. Некоторые предназначены для работы от постоянного тока, в то время как другие используют переменный ток. Вы можете найти электродвигатели всех размеров для впечатляюще широкого спектра применений. От крошечных двигателей в часах с батарейным питанием до массивных электродвигателей, приводящих в действие промышленное производственное оборудование, эта надежная, но элегантная технология занимает центральное место в современной жизни, какой мы ее знаем.

Как закон Фарадея изменил мир электродинамики

Хотя электрические двигатели и электрические генераторы выполняют противоположные функции, они оба основаны на одном и том же основном физическом принципе: законе индукции Фарадея. В начале 19 ^-го-го века вклад Майкла Фарадея в изучение электричества и магнетизма не имел себе равных. Несмотря на небольшое формальное образование и несмотря на то, что эмпирическое изучение физических явлений было относительно новой областью знаний, Фарадей, без сомнения, является одним из самых влиятельных ученых за всю историю человечества.

Грандиозное открытие Фарадея, заключающееся в том, что магнитные поля взаимодействуют с электрическими токами, создавая электродвижущую силу, открыло дверь современной электрической технологии. Закон индукции Фарадея лежит в основе трансформаторов, электродвигателей, электрических генераторов, катушек индуктивности и соленоидов. Без этих знаний было бы невозможно разработать надежное оборудование, которое вырабатывает электроэнергию для сети или электродвигатели для питания другого оборудования. На самом деле электродинамика, разработанная Фарадеем, а затем и Максвеллом, также стала главным катализатором специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Электрические двигатели и электрические генераторы сильно отличаются друг от друга по своим функциям. Однако с точки зрения физики они иллюстрируют две стороны одной медали. Оба основаны на одних и тех же основных физических принципах, и понимание этих принципов сыграло важную роль в развитии даже самых распространенных современных технологий.

Дэвид Мэнни — администратор по маркетингу в L&S Electric. Первоначально эта статья появилась в новом блоге L&S Electric Watts. L&S Electric является контент-партнером CFE Media.