Создание электрического мотора базируется на простом феномене – на том, что два магнита поворачиваются относительно друг друга, чтобы сойтись разными полюсами. А где поворот, там и вращение…
Разберем устройство мотора на постоянном токе: два магнита, закрепленные друг напротив друга разными полюсами. Между ними пространство, в котором расположен ротор, представляющий собой катушку, по которой проходит ток. Эта катушка, следовательно, ведет себя как магнит (➙ рис. 15.6).
Рис. 15.6 – Принцип работы мотора на постоянном токе
(а) – через катушку проходит ток, который идет от «плюса» к «минусу»: это создает магнитное поле. Северный полюс катушки (вверху) отталкивается северным полюсом магнита слева и притягивается южным полюсом магнита справа: катушка поворачивается.
Мы обозначили два конца катушки черной и белой точкой. (b) – черная точка прошла мимо правого магнита, то есть черная точка больше не касается положительно заряженной зоны, зато касается отрицательной. Таким образом, ток начинает двигаться от белой точки к черной, а не от черной к белой: направление тока было изменено.
Магнитное поле теперь направлено от черной точки к белой, противоположно (а): белая точка на этот раз соответствует северному полюсу, а черная – южному. На схеме видно, что это позволяет поддерживать вращение с помощью постоянного магнитного отталкивания.
Северный полюс ротора отталкивается северным полюсом одного из магнитов и притягивается южным полюсом другого магнита: ротор начинает вращаться. Проблема в том, что, когда ротор повернулся один раз, вращение прекращается. Чтобы его продлить, необходимо переделать северный полюс ротора в южный, чего можно достичь, изменив направление тока: там, где было притяжение, создается отталкивание, и ротор снова делает полуоборот, чтобы найти стабильное положение. В этот момент ток в роторе снова меняется, и ротор вновь поворачивается…
Таким образом, с каждым полуоборотом ротор приобретает ускорение: он достигнет номинальной скорости вращения, когда трение компенсирует действие магнитной силы.
Мы видели, что вращение диска проводника, «погруженного» в магнитное поле, вызывало появление электрического тока, направленного к внешнему краю диска (➙ рис. 15.3.а, который мы перенесли на рис. 15.7). Но этот ток, направленный к внешнему краю, также подвергается действию магнитной силы, направленной к задней части диска (согласно правилу трех пальцев). Таким образом, ток описывает дугу, направленную к внешней и к задней части диска.
Во время перемещения свободные электроны оказывают трение на окружающее пространство. Эта сила трения направлена к задней части диска (свободные электроны в своем движении к задней части диска стремятся унести с собой атомы диска). Иначе говоря, сила препятствует вращению диска: речь идет о силе торможения, которая замедляет вращение диска.
Рис. 15.7 – Магнитное торможение металлического диска
Такое «магнитное торможение» позволяет избежать изнашивания материала, который участвует в традиционном тормозе. В частности, оно используется в грузовиках в дополнение к обычным тормозам.
СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ
• Взаимодействие двух магнитов (притягивающее и отталкивающее) связано со схождением магнитного поля к южному полюсу магнита и расхождением от его северного полюса.
• Магнитное поле Земли возникает из-за вращения внутреннего ядра, жидкого проводника, который создает динамо-эффект.
• Природные магниты образованы намагничиванием лав под действием магнитного поля Земли, которое затем сохранилось после их остывания.
• Земля создает магнитное поле везде вокруг себя, даже в космосе, образуя таким образом магнитосферу. Она защищает нас от заряженных частиц солнечного ветра, заставляя их отклоняться. Магнитосфера также создает радиационный пояс и полярное сияние.
• Электромотор использует поворот катушки, по которой проходит ток, помещенной напротив магнита. Вращение поддерживается с помощью периодической инверсии направления тока.
• Металл, вращающийся в магнитном поле, тормозится с помощью магнитной силы.