Вопрос 1. Преобразование электрической энергии в механическую

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин - генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую. Рассмотрим процесс преобразования электрической энергии в механическую.

Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. 96), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N - S. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:

A = UIt = I2rt дж.

Рис. 96. Преобразование электрической энергии в механическую

Затрачиваемая мощность будет равна

Pэл = UI = I2r вт,

откуда определяем ток в цепи:

I = U/r. (а)

Однако известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремящейся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э.д.с. Направление этой э.д.с., определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э.д.с. Eобр. Величина Eобр согласно закону электромагнитной индукции будет равна

Eобр = Blυ.

По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем

U - Eобр = Ir

или

U = Eобр + Ir, (б)

откуда ток в цепи

I =	U - Eобр	. (в)
	r

Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, движущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.

Умножая почленно выражение (б) на I, получим

UI = EобрI + I2r.

Так как Eобр = Blυ, то

UI = BlυI + I2r.

Учитывая, что BlI = F и Fυ = Рмех, имеем

UI = Fυ + I2r

или

Pэл = Pмех + ΔP.

Последнее выражение показывает, что при движении проводника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в механическую происходит в электрических двигателях.

Электродвигателем постоянного тока называется электромашина, работающая на постоянном токе. Она служит для преобразования электроэнергии в механическую энергию.

Электродвигатель состоит из статора и ротора, а также щеток (коллекторный узел).

На статоре может находиться как постоянный магнит, так и обмотка, которая наводит магнитный поток.

Ротор представляет собой множество катушек, концы выводятся вколлекторный узел. Все концы закреплены на металлическом кольце с изолированными друг от друга пластинами – контактами (их еще называют ламелями), эта конструкция и является коллекторным узлом. Сюда при помощи щеток подводится постоянный ток, на котором работает электродвигатель. Щетки попеременно замыкают определенные контакты обмоток. Вращающий момент создается благодаря тому, что силовые линии магнитных полей статора и ротора перпендикулярны и возникает сила, стремящаяся выровнять направление силовых линий.

Устройство двигателя очень простое, что, несомненно, является плюсом. Минусом таких двигателей является довольно быстрый износ коллекторного узла, что требует его замены.