uabooks.top

Ha az áramjárta keretet mágnes pólusai közé helyezik, a keret elfordul, és a mágnesek által létrehozott tér mágneses indukcióvonalaira merőlegesen áll meg. Hogyan lehet forgásra kényszeríteni a keretet? Hogyan hozható létre villanymotor, amelyet egyébként a belső égésű motorok előtt fél évszázaddal találtak fel? Miért forgatta el a mágneses tér az áramjárta vezetőt? Felidézzük és újdonságokat is megtudunk.

Ampére-féle erő

1820 őszén Ampere a mágneses tér különböző alakú és méretű vezetőkre gyakorolt hatásának tanulmányozása közben levezette a vezető kisebb szakaszára (áram elemére) ható erő képletét. Ezt az erőt napjainkban Ampére-féle erőnek nevezik.

Azt az erőt, amellyel a mágneses tér hat az áramjárta vezetőre, Ampére-féle erőnek nevezzük.

Ha a vezető egyenes, az őt övező mágneses tér pedig homogén, akkor az Ampére-féle erő abszolút értéke a következő képlettel számítható ki:

ahol В — a vezetőt körülvevő tér mágneses indukciója; 1-а vezetőben lévő áramerősség; 1-а vezető aktív részének hossza; a - a mágneses indukcióvektor és az áram iránya közötti szög (11.1. ábra).

Az Ampére-féle erő iránya a balkéz-szabály segítségével határozható meg (11.2. ábra).

Ha bal kezünket úgy helyezzük el, hogy a mágneses tár indukcióvektorainak eredője a tenyerünkbe hatoljon, és kinyújtott négy ujjunk az áram irányát mutassa a vezetőben, akkor az oldalra derékszögben kinyújtott hüvelykujjunk a vezetőre ható Ampére-féle erő irányát mutatja.

Jegyezzétek meg: ha a vezető nem egyenes vonalú vagy (és) a mágneses tér nem homogén, akkor először a vezető kis szakaszára ható Ampére-féle erőket határozzák meg, majd mértani ösz-szeadással számítják ki a teljes vezetőre ható erőt.

Az áramjárta keretre ható Ampére-féle erő forgatónyomatéka

Vegyünk egy könnyű, egy menetből álló, a és b oldalú derékszögű keretet, majd helyezzük el homogén mágneses térbe úgy, hogy könnyen foroghasson a vízszintes tengelye mentén. A kereten át áramot engedünk (11.3. a ábra). A keret néhány lengés után a mágneses indukcióvektorra merőlegesen állapodik meg (11.3. b ábra).

Felhasználva a balkéz-szabályt, meghatározzuk a keretre bizonyos időben ható Ampére-féle erők nyomatékét (11.3. c ábra). Ennek érdekében meghatározzuk a keretre ható erők irányát, értékét és erőkarját. Látható, hogy:

1) az F₃ és F₄ Ampére-féle erők nem forgatják, hanem széthúzzák a keretet — erőnyomatékuk nulla;

2) az Fi és F₂ Ampére-féle erők a keretet az óramutatóval ellentétes irányba fordítják — M forgatónyomatékot hoznak létre:

A homogén mágneses térben lévő lapos zárt hurokra ható Ampére-féle erők forgatónyoma-téka a tér mágneses indukciójának, a hurokban lévő áramerősségnek, a hurok területének és a mágneses indukcióvektornak, valamint a hurok síkja által bezárt a szög koszinuszának szorzatával egyenlő:

Idézzük fel!

• M erőnyomaték - az

erő forgatóeffektusát jellemző fizikai mennyiség, amely az F erő és az erő d karjának szorzatával egyenlő:

• d erőkar - a forgástengely és az erő hatásvonala közötti távolság.

• Az erőnyomatékot pozitívnak tekintik, ha az erő a testet az óramutató járásával ellentétes irányban forgatja (vagy megpróbálja elfordítani), negatívnak — ha az ellenkező irányban.

Hol alkalmazzák az Ampére-féle erőt?

Az áramjárta keret forgását a mágneses mezőben az villanymotorokban hasznosítják - olyan berendezésekben, amelyekben az elektromos energia mechanikai energiává alakul át.

Visszatérünk a 11.3. ábrához. Látjuk, hogy az Ampére-féle erők a keretet először az egyik (11.3. a ábra), majd az egyensúlyi állapoton áthaladva — az ellenkező irányba forgatják (11.3. b ábra). Ezért a keret az egyensúlyi állapotba érve hirtelen megáll. Hogy a keret ne álljon meg az egyensúlyi helyzetben, hanem egy irányban forogjon tovább, kollektort használnak — olyan eszközt, amely automatikusan változtatja az áram irányát a keretben (11.4, ábra). A kollektor két darab vezető félgyűrű, melyekhez érintkező kefe csatlakozik. A félgyűrűk a kerettel együtt forognak, míg a kefék mozdulatlanok maradnak. Ezért az egyensúlyi állapotot elhagyva a kefék már másik félgyűrűvel érintkeznek. Az áram iránya az ellenkezőjére változik, míg a keret forgásiránya változatlan marad.

Érthető, hogy a keretben az Ampére-féle erők által létrehozott forgatónyomaték (11.4. ábra)

nagyon csekély, ezért az ilyen „motor” teljesítménye jelentéktelen.

A forgatónyomaték (.M=N BISsina) növelése érdekében a valós motorokban:

1) a motor forgórészének — rotornak — a tekercsét nagyszámú menetből készítik, amelyet a mágneses lemezekből készített mag oldalrészének speciális bemélyedésébe csévélnek fel (11.5. ábra);

2) egy magra több tekercset csévélnek fel; az ilyen motor kollektora ív alakú, szigetelt dobra rögzített rézlemezeket tartalmaz, és minden tekercs egy rézlemezhez van csatlakoztatva;

3) állandó mágnes helyett elektromágnest alkalmaznak, amely a motor testével egy egészet alkot és sztatorként (állórészként) szolgál (lat. stator — az, amelyik áll).

Szerintetek a fenti esetekben melyik fizikai mennyiség növelésével növekszik meg a forgatónyomaték?

Magnetoelektromos és elektrodinamikus rendszerű elektromos mérőműszerek

Ezekben a műszerekben az Ampére-féle erők által létrehozott forgónyomatéknak a keretben lévé' áramerősségtől való függését használják ki. Amikor a műszert az áramkörbe kötik, a kereten áram jelenik meg és az Ampére-féle erő hatására a keret forogni kezd a mágnes mágneses terében. A kerettel együtt a mutató is elfordul és feltekeredik a spirálrugó. Amikor az Ampére-féle erők nyoma-téka kiegyenlítődik a rugalmassági erők nyomaté-kával, a mutató mozgása megszűnik, de kilengése megmarad. Minél nagyobb a keretben lévő áramerősség, annál nagyobb szögben mozdul el a mutató. Az elektrodinamikus rendszerű műszerekben állandó mágnes helyett elektromágnest használnak.

Elektrodinamikus hangszóró

A hangszóróban a tekercsre ható Ampére-féle erő a tekercset a mágnesgyűrű belsejébe húzza. Amikor az áramerősség a tekercsben hangfrekvenciává változik, ugyanúgy változik az Ampére-féle erő is - a tekercs az áramerősség változásának ütemében rezeg. A tekerccsel együtt a hozzá rögzített diffúzor is rezgésbe kezd, amely a levegőt „lökdös-ve” hanghullámokat hoz létre - a hangszóró hangot sugároz ki.

A napjainkban elterjedt fülhallgatók szintén elektrodinamikus hangsugárzók.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. A patkómágnes által létrehozott mágneses tér indukciójának a meghatározására a tanulók a mágnes pólusai közé vezetők segítségével egy 8 cm hosszú és 6 g tömegű alumíniumvezetőt függesztettek (lásd az 1. ábrát). Amikor a vezetőben 3 A erősségű áram folyt, a vezető a vízszintessel 45° fokos szöget zárt be. Milyen eredményt kaptak a tanulók? A mágneses teret a vezetőt tartalmazó szakaszon tekintsétek homogénnek és vízszintesnek!

A fizikai probléma elemzése. A vezető az Ampére-féle erő hatására mozdul el, amelynek irányát a balkéz-szabály segítségével határozzuk meg. A vezető vízszintes, a mágneses tér függőleges, ezért az áram iránya és a mágneses indukcióvektor közötti a szög 90°. Figyelembe véve, hogy a vezetőre ható erők kiegyenlítettek, meghatározzuk a tér mágneses indukcióját.

Összegezés

A mágneses tér részéről az áramjárta vezetőre ható erőt Ampére-féle erőnek nevezzük. Abszolút értéke vagy nagysága a következő képlettel határozható meg: F_A=BISsin a, iránya pedig a balkéz-szabály szerinti.

Az I áramerősségű és S területű, В indukciójú mágneses térben lévő lapos zárt keretben az Ampére-féle erők forgatónyomatékot hoznak létre: M=BISsina, ahol a — a mágneses indukcióvektor és a keret síkjához húzott merőleges közötti szög.

Az áramjárta keret mágneses térben történő forgásán alapszik a motorok, az elfordulásán a magnetoelektromos és elektrodinamikus rendszerű műszerek, a keret haladó mozgásán pedig a hangszóró működési elve.

Ellenőrző kérdések

I. Mit nevezünk Ampére-féle erőnek? Milyen képlet segítségével számítható ki? Hogyan határozzák meg az irányát? 2. Vezessétek le a mágneses tér részéről a keretre ható erőnyomaték meghatározására szolgáló képletet! A keret melyik állásánál lesz az erőnyomaték nulla? maximális? 3. Magyarázzátok el az egyenáramú motor működését! 4. írjátok le a magnetoelektromos mérőműszerek, valamint az elektrodinamikus hangszóró felépítését és működési elvét!

II. gyakorlat

1. A 60 cm hosszúságú vezetőben folyó áram erőssége 1,2 A. Határozzátok meg a homogén, 15 mT indukciójú mágneses térben a vezetőre ható Ampére-féle erő legnagyobb és legkisebb értékét a vezető különböző helyzeteiben!

2. Az 1. ábrán a mágneses tér és az áramjárta vezető kölcsönhatásának néhány esete látható. Mindegyik esetre fogalmazzatok meg feladatot, és oldjátok meg őket!

3. Határozzátok meg a 0,6 T indukciójú homogén mágneses térben lévő keretre ható Ampére-féle erő nyomatékét! A keret 50 menetet tartalmaz és területe 20 x 5,0 (cm). A keretben az áramerősség 2,5 A, a mágneses indukcióvektor és a keret síkja közötti szög 60°.

4. A 2. ábrán a keretben folyó áram iránya és a mágneses térbe helyezett keret forgásiránya van feltüntetve. Határozzátok meg az áramforrás pólusait, amelyekhez a keretet kapcsolták!

5. Az 50 g tömegű és 20 cm hosszúságú vízszintes vezetőt áramforráshoz kapcsolt két rúdon húznak 0,6 N erővel (3. ábra). A vezetőre merőlegesen 0,4 T indukciójú homogén mágneses tér hat. Határozzátok meg a vezető gyorsulását, ha benne 5 A erősségű áram folyik, a súrlódási tényező 0,2, a mágneses tér iránya pedig: a) felfelé függőleges; b) lefelé függőleges; c) balra vízszintes; d) jobbra vízszintes!

Kísérleti feladat

Találjatok odahaza tönkrement, elektrodinamikus hangszórót tartalmazó berendezést (vezetékes telefon kagylója, egycsatornás rádió, fülhallgató). Keressétek meg benne a hangszórót, figyeljétek meg a felépítését, és azonosítsátok a fő elemeit (mágnes, tekercs, diffúzor)!

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev