Вокруг нас становится всё больше электродвигателей. Вместе с безнадежным устареванием бензиновых агрегатов в мире транспорта, появляются и принципиально новые сферы использования электродвигателей. Многие высокотехнологичные электронные устройства используют такие двигатели для самых различных целей, например чтобы реализовать работу вибровызова у смартфона.
Полезно и интересно разобраться в логике функционирования этого нехитрого, но крайне востребованного сегодня устройства. Давайте опустим все сложные высказывания и формулировки, а попробуем на простом языке сформулировать основы функционирования электрических агрегатов.
Начнем с самого простого. Наверняка каждый из читателей игрался с магнитиками и обращал внимание, что в одну сторону магниты притягиваются, а в другую сторону магниты отталкиваются. Говоря научным языком - полюса магнита, имеющие одинаковые знаки, отталкиваются, а полюса магнита с разными знаками притягиваются.
Причину этого явления объясняют спецификой поведения зарядов. Но полностью объяснить природу взаимодействия пока не получилось. Да нам и не нужно сейчас это делать. Для нас важен сам факт подобного явления. Обратите внимание, что отталкиваются магниты гораздо раньше, чем будут подведены друг к другу вплотную. Всё дело в линиях магнитной индукции.
Теперь представим, что мы разместили магнитики таким образом, когда возможно использовать эту силу отталкивания нам во благо. Один магнитик поместили на ось, а второй поставили где то рядом. Вектора действующих сил распихали таким образом, что они по касательной толкают ось и заставляют её крутиться. Получилось, что система будет вращаться при правильном подборе точек расположения магнитов. Эффект напоминает раскручивание карусели, на котором катаются дети. Когда карусель с ребенком проходим мимо папы, он подкручивает систему и поддерживает вращение. Замени мы папу одним магнитом, а ребенка другим того же полюса - выйдет модель электродвигателя.
Может сложиться неправильное представление, что мы получили вечный двигатель. На самом деле это не так. Мы не сможем без прочих ухищрений заставить эту систему работать постоянно из-за потери энергии на сторонние факторы.
Теперь представим, что нам нужно управлять такой моделью. Ведь когда магниты постоянные, мы не сможем регулировать процесс вращения. Да и оптимизировать его не получится. Поэтому, мы прибегнем к помощи электромагнита. Электромагнит может создавать поле тогда, когда нам это нужно. Нажали на кнопочку - ток проходит через цепь и формируется магнитное поле.
Но в более простом случае рационально использовать рамку с током. Там начинает работать закон Ампера, а род взаимодействия будет таким же. Вспомним, что закон Ампера описывает влияние магнитного поля на проводник с током. Он описывает силу, которая будет действовать на проводник с током со стороны магнитного поля.
Теперь представим, что мы взяли рамку с током и поместили её в магнитное поле. Рамка с током представляет собой проводник, который оказался в магнитном поле. Пропускаем через рамку ток и поле начинает воздействовать с некоторой силой на этот проводник. Если рамка замкнутая, то ток меняет в ней свой направление.
Получается, что на рамке формируется вращающий момент. Ведь когда направление тока в проводнике меняется, меняется и направление вектора силы, воздействующей со стороны магнитного поля.
Если разместить рамку правильно, то появится именно крутящий момент. Если нет - поле будет гнуть рамку. Наша задача "снять" крутящий момент. Для этого рамку нужно правильно расположить или увеличить количество рамок. Тогда одна из них обязательно попадет в нужное положение.
Кстати, это магнитное поле формируется неподвижными постоянными магнитами статора двигателя.
Вращающаяся часть будет называться ротором или якорем. Неподвижная на корпусе - статором. Приведенная модель является рабочей моделью двигателя постоянного тока. В реальной схеме всё организовано точно также, только якорь имеет множество таких рамок внутри своей конструкции. Полезно прочитать эту статью.
Но есть одно несчастье. Подключи мы такую модель к источнику переменного напряжения, и получим не равномерное движение, а постоянные рывки. Всё дело в том, что переменный ток постоянно меняет своё направление.
Направление сил, воздействующих на ротор, тоже будет меняться.
В случае с электродвигателями переменного тока конструкция строится немного иначе.
Обмотка располагается не на роторе, а на статоре. Пропуская через обмотку статора электрический ток, мы получим пульсирующее магнитное поле. Ток, как и в примере выше, меняет своё направление. Ведь намотка выполнена тоже как рамка. И потому актуальна картинка про смену направления электрического тока. Магнитное поле тоже будет направлено в разные стороны.
Если в такое поле поместить магнитик или ротор особой конфигурации (колесо для грызуна, в котором индуцируется ток сам) опять получим описываемый ранее эффект и крутящий момент. Только обмоток нужно много, чтобы "толкались" они одна за другой. Тогда оно будет пульсировать и подпихивать наш якорь. Получили опять вращающий момент. Вуаля!