Поворот рамки с током в магнитном поле используется в громкоговорителе: 5. Назовите прибор (устройство), в котором используется поворот рамки с током в магнитном поле: 1)

Действие магнитного поля на рамку с током. Электромотор постоянного тока. Гальванометр. Динамик

Действие магнитного поля на рамку с током. Электромотор постоянного тока. Гальванометр. Динамик

План урока

• Действие магнитного поля на рамку с током
• Электромотор постоянного тока
• Устройство и принцип работы гальванометра
• Устройство динамика

Цели урока

• Уметь объяснять действие магнитного поля на рамку с током
• Знать устройство и принцип работы электромотора постоянного тока, гальванометра и динамика

Разминка

• Что происходит с заряженной частицей, которая влетает в магнитное поле?
• Где можно использовать влияние магнитного поля на заряженную частицу?
• Как магнитное поле влияет на помещенный в него проводник с током?
• Почему взаимодействуют два параллельных проводника с токами?
• Что будет наблюдаться, если в магнитное поле поместить рамку с током?

Действие магнитного поля на рамку с током

 

Чтобы разобраться, как работает электродвигатель — один из главных результатов технического прогресса, без которого невозможно представить существование современного мира, следует сначала исследовать поведение рамки с током в магнитном поле. Поместим проволочную прямоугольную рамку с током I в магнитное поле. Чтобы учесть влияние магнитного поля на контур с током, следует ввести такую величину, как вектор нормали.

---

Положительной нормалью n→
 к плоскости рамки с током называют вектор, направление которого совпадает с направлением движения острия ввинчивающегося в плоскость рамки буравчика при вращении его ручки по направлению тока в этой рамке (Рис. 1). 

Рис. 1. Вектор нормали n к плоскости рамки с током

---

Поместим рассматриваемую рамку с током в магнитное поле так, чтобы две стороны рамки были параллельны вектору магнитной индукции поля, а две другие – перпендикулярны. Будем считать, что магнитное поле тока в рамке пренебрежимо мало по сравнению с внешним полем (Рис. 2).

Рис. 2. Рамка с током в магнитном поле

Сила ампера, согласно формуле FA=B·I·l·sinα, не действует на сторону a рамки и ей параллельную (синус угла между направлением тока в проводнике и вектором B→ равен нулю). Напротив, на сторону рамки b и ей параллельную сила Ампера действует. Направления сил показаны на рис. 2, причем модули этих сил равны:  

 

F1=F2=B·I·l 

 

Геометрическая сумма сил F1 и F2 равна нулю, но алгебраическая сумма моментов этих сил, относительно оси OO1 будет отлична от нуля.

 

Суммарный момент сил равен:

 

M=F1·a2+F2·a2=2·F·a2=B·I·b·a=B·I·S, где S — площадь рамки.

 

Рамка будет поворачиваться вокруг оси  OO1 по часовой стрелке. В процессе поворота угол между векторами n→ и  B→ будет уменьшаться от 90° до 0°, плечи сил Ампера также будут уменьшаться и суммарный момент станет равен нулю. Т. е., рамка повернется на угол 90°. 

---

Положение рамки, при котором направления положительной нормали n→ и вектора B→ индукции внешнего поля совпадают, является 
положением устойчивого равновесия
 (Рис. 3). 

Рис. 3. Положение устойчивого положения рамки

---

Свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле позволяет использовать ее вместо магнитной стрелки для определения направления вектора индукции магнитного поля в определенном месте.  

 

Если угол между векторами n→ и B→ равен 180°, то такое положение рамки считают неустойчивым равновесием и при малейшем повороте рамки возникает вращающий момент, который далее разворачивает рамку, пока она не окажется в положении устойчивого равновесия.

 

Из формулы момента, поворачивающего рамку в магнитном поле, следует, что величина вращающегося момент прямо пропорциональна модулю индукции магнитного поля, следовательно, это свойство рамки можно использовать для экспериментального определения индукции магнитного поля: B=MmaxI·S. Mmax будет когда угол между вектором нормали и вектором магнитной индукции равен 90°.

 

Рассмотрим еще несколько примеров действия магнитного поля на рамку с током (Рис. 4).

Рис. 4. Действия магнитного поля на рамку с током 
a) – положение устойчивого равновесия; б) – положение неустойчивого положения

По рис. 4 видно, что в положении устойчивого положения силы магнитного поля стремятся растянуть рамку, а в положении неустойчивого равновесия – сжать. Но это в однородном магнитном поле. Если рассматривать неоднородное поле, например, полосового магнита, то рамка, на которую действуют только магнитные силы (как и в однородном поле), займет положение устойчивого равновесия. При этом магнитные силы будут стремиться растянуть рамку, но силы, действующие на стороны рамки, не будут равны по модулю. Результирующая сила Ампера будет направлена в область более сильного магнитного поля, и рамка будет втягиваться в область более сильного магнитного поля. 

 

Электромотор постоянного тока

 

На основе поведения рамки с током в магнитном поле основана работа электромотора постоянного тока (электродвигателя). Он состоит из индуктора 4, создающего магнитное поле и якоря 3, обмотки которого представляют собой многовитковые рамки. Источниками магнитного поля в индукторе являются катушки 5 (в маломощных двигателях часто используют постоянные магниты). Индуктор прикреплен к корпусу мотора и обычно неподвижен, его называют статором. Якорь 9 состоит из вала, на котором закреплены стальной сердечник, и диэлектрического цилиндра коллектора 1. В пазы сердечника вложены многовитковые катушки (рамки). На диэлектрический цилиндр коллектора наклеены изолированные друг от друга медные пластины. Выводы от каждой рамки припаяны соответственно к двум диаметрально противоположным медным пластинам. К пластинам коллектора с двух противоположных сторон прижимается прикрепленная к корпусу пара щеток 2. Через эти щетки пара пластин коллектора и припаянная к ним катушка якоря подключаются к источнику тока. Обычно вал якоря закреплен на двух подшипниках, в этом случае он может вращаться вокруг своей оси, его называют ротором.

 

После подключения двигателя к источнику тока по его катушкам протекает ток. Силы Ампера вызывают вращение ротора. При вращении на коллекторе происходит смена подключаемых к щеткам пар медных пластин. В результате в процессе работы ток пропускается через ту катушку ротора, в плоскости которой лежит вектор магнитной индукции поля индуктора. Поэтому вращающий момент сил Ампера, действующих на ротор, все время получается максимальным.    

Рис. 5. Устройство электродвигателя: 1 – коллектор (изолированные друг от друга медные пластины), 2 – графитовые щетки, 3 – якорь, обмотки которого представляют многовитковые рамки, 4 – индуктор, создающий магнитное поле, 5 – катушка (обмотка возбуждения) , 6 – корпус (станина), 7 – подшипниковый щит, 8 – вентилятор , 9 – обмотка якоря

Применяются такие двигатели во многих бытовых приборах, например, пылесосах, электродрелях. Современные электродвигатели могут иметь мощность от долей ватта до тысяч киловатт. КПД мощных электродвигателей достигает 90%. Также к преимуществам этих двигателей по сравнению с ДВС относятся малые габариты, высокая надежность, простота управления, экологичность.

 

Устройство и принцип работы гальванометра

---

Гальванометр
– высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов.

 

В отличие от обычных миллиамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, единицах других физических величин. Шкала может иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве нуль – индикаторов.

---

Гальванометр (Рис. 6) состоит из подковообразного постоянного магнита 1, между полюсами которого 2 расположена легкая рамка 4 с прикрепленной к ней стрелкой 9. Рамка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси 5.6. На рамку намотано несколько витков изолированной проволоки. Концы этой проволоки через спиральные пружины 7, 8 соединяются с клеммами гальванометра. При отсутствии тока спиральные пружины удерживают рамку в горизонтальном положении. При этом стрелка указывает на нулевое положение шкалы.

Рис. 6. Устройство гальванометра

Чтобы повысить чувствительность гальванометра и сделать его шкалу равномерной внутрь рамки помещают неподвижный железный цилиндр. А полюсным наконечникам магнита придают особую форму. При этом модуль вектора магнитной индукции в этом зазоре постоянен в пределах рабочих углов поворота рамки. 

 

Современные гальванометры рассмотренного типа позволяют измерять силу тока от десятых долей микроампера до десятков миллиампер.  

 

Устройство динамика 

 

На явлении возникновения сил, стремящихся втянуть рамку с током в область более сильного магнитного поля (или вытолкнуть ее при изменении направления тока), основано действие электродинамических громкоговорителей (динамиков) – устройств, преобразующих переменный электрический ток в звуковые колебания. 

Рис. 7. Устройство динамика

Динамик состоит из кольцевого магнита 1, в зазор между полюсами которого помещена на легкий каркас катушка 2. Эта катушка жестко скреплена с бумажным диффузором 4. В свою очередь, диффузор крепится к магниту и корпусу 3 динамика на упругих шайбах, позволяющих диффузору с катушкой совершать колебания вдоль оси катушки.

 

Современные динамики воспроизводят звук в диапазоне частот от 10 Гц до 20 Гц без заметных искажений. Общий недостаток динамиков – низкий КПД (2–3% подводимой электрической мощности). 

---

Контрольные вопросы

 

1. Что называют положительной нормалью к плоскости рамки с током?

2. Чему равен вращающий момент, действующий на рамку с током в однородном магнитном поле? 

3. Как следует расположить рамку с током, чтобы она находилась в положении: а) устойчивого положения; б) неустойчивого положения?

4. На чем основан принцип действия электромотора?

5. Как устроен гальванометр и на чем основан принцип его действия?

6. Объясните принцип работы громкоговорителя. 

---

 

Применение закона Ампера в жизни, электроизмерительные приборах, громкоговорителе, кратко для доклада (11 класс)

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 291.

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 291.

Согласно законам электродинамики, проводник с током, находящийся внутри магнитного поля, взаимодействует с ним. Это взаимодействие описывается законом Ампера. Поговорим кратко о применении закона Ампера в жизни человека.

Закон Ампера

Проявление магнитного поля заключается в появлении силы, действующей на проводник с током. Направление этой силы определяется мнемоническим правилом левой руки: если перпендикулярная составляющая индукции магнитного поля $B_{\perp}$ входит в ладонь левой руки, а четыре пальца указывают направление электрического тока, то большой палец будет указывать направление силы Ампера. При этом имеется ввиду однородное магнитное поле. Расчет силы Ампера для неоднородного поля значительно сложнее, требует отдельного доклада и выходит за рамки школьной программы по физике.

Если угол между линиями магнитного поля и направлением тока в проводнике составляет $\alpha$, то модуль силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля индукцией $B$ на проводник длиной $Δl$, по которому течет ток силой $I$, равен:

$$F= I |\overrightarrow B| Δl sin \alpha$$

Эта формула называется законом Ампера. Из нее видно, что сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна величине тока и индукции магнитного поля. Именно эта зависимость и предопределяет возможности использования закона Ампера в науке и технике.

Применение закона Ампера

Электродвигатели

Чаше всего, сила, описываемая законом Ампера, находит применение в двигателях. Действительно, если создать магнитное поле с помощью постоянного магнита или катушек с электрическим током, а потом внести в это поле проводник с током, можно направить возникающую силу Ампера на совершение полезной работы. Для того чтобы работа совершалась непрерывно, необходимо сместившийся проводник заменить новым, когда он тоже сместится — на его место подвести еще один проводник и так далее.

Все эти проводники выполняются в виде пересекающихся рамок с током. Вся конструкция называется «якорем». Каркас, внутри которого создается магнитное поле и может вращаться якорь, называется «статором». Якорь и статор — это две главных части любого электродвигателя:

Рис. 1. Устройство электродвигателя.

Измерительные приборы

Прямая зависимость силы Ампера от тока, проходящего через проводник, дает возможность построения электроизмерительных приборов.

Если рамку с током на пружинах поместить в магнитное поле, то угол ее поворота будет пропорционален току в рамке. Следовательно, пропустив исследуемый ток через эту рамку, можно оценить его величину. Именно так построены электроприборы магнитоэлектрической системы.

Рис. 2. Устройство прибора магнитоэлектрической системы.

Громкоговоритель

Наконец, широкое применение сила Ампера находит применение в динамических головках громкоговорителей.

Как известно в 11 классе, звук представляет собой колебания воздуха. Если взять катушку с током, поместить ее в поле постоянного магнита, а потом пропустить через нее переменный ток, то катушка в соответствии с направлением тока будет испытывать влияние силы Ампера. Причем величина этой силы будет пропорциональна величине тока. То есть, под действием переменного тока катушка придет в колебательное движение с частотой подведенного переменного тока.

Теперь, если закрепить на катушке легкий конус (он называется «диффузор»), то колебания катушки будут передаваться в воздух, а значит, в воздухе возникнут колебания — возникнет звук.

Именно так работает громкоговоритель.

Рис. 3. Устройство громкоговорителя.

Что мы узнали?

В современном мире сила Ампера играет одну из важнейших ролей. Большая часть механического электрооборудования существует благодаря ей. Применение закона Ампера позволило создать человеку электродвигатели, измерительные приборы, громкоговорители и другие полезные устройства.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Алма Кертме

  10/10

Оценка доклада

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 291.

---

А какая ваша оценка?

Громкоговоритель с подвижной катушкой: Динамик с подвижной катушкой

Детали громкоговорителя с подвижной катушкой или динамика с подвижной катушкой.

---

Учебное пособие по громкоговорителю Включает:
Что такое громкоговоритель: основы
Громкоговоритель с подвижной катушкой
Корпуса громкоговорителей
Ремонт громкоговорителей
Провод/кабель динамика

Дополнительные темы для громкоговорителей с подвижной катушкой:
Доплеровское искажение
Конусы динамиков
Резонанс конуса динамика
Катушка динамика

---

Громкоговоритель с подвижной катушкой является наиболее широко известным и используемым видом громкоговорителя. Его можно найти во многих электронных устройствах, от радиоприемников до динамиков Bluetooth и в системах громкой связи — фактически везде, где электрические сигналы должны быть преобразованы в слышимый звук.

Громкоговоритель с подвижной катушкой хорошо работает и относительно прост в изготовлении. Однако, как и все преобразователи, преобразующие электрические волны в звук, его работа может быть сложной, поскольку громкоговоритель с подвижной катушкой связывает электрические и механические домены.

Основы громкоговорителя с подвижной катушкой

В основе работы громкоговорителя с подвижной катушкой лежит магнитный эффект, создаваемый протекающим током.

Когда по проводу течет ток, вокруг него возникает магнитное поле. Когда проволока смотана в катушку, эффект усиливается.

Если катушку поместить в постоянное магнитное поле, создаваемое неподвижным магнитом, то два магнитных поля будут взаимодействовать. Противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются. Это означает, что ток, протекающий в катушке, может притягивать или отталкивать катушку от фиксированного магнитного поля, при этом степень силы пропорциональна протекающему току.

Работа громкоговорителя с подвижной катушкой

Если катушку прикрепить к большой диафрагме, то звуковые волны будут более эффективно передаваться в воздух.

Это основная концепция громкоговорителя с подвижной катушкой.

Конструкция громкоговорителя с подвижной катушкой

Конструкция громкоговорителей с подвижной катушкой соответствует довольно стандартному формату, хотя существуют значительные различия в электрических и механических размерах и параметрах, а также в используемых материалах..

Поперечное сечение типичного громкоговорителя с подвижной катушкой

• (1) Магнит:   Магнит создает постоянное магнитное поле, против которого действует поле катушки. Магнит обычно изготавливается из феррита или мощного неодима.
• (2) Шасси/рама:  Громкоговоритель с подвижной катушкой обычно имеет круглую раму, иногда она может быть и эллиптической. Каркас является основой громкоговорителя и обеспечивает его конструкцию, хотя и не играет никакой активной роли в работе.
• (3) Мембрана или диффузор:   В передней части громкоговорителя с подвижной катушкой имеется диффузор или диафрагма. Это передает вибрации движущейся катушки в воздух, создавая большую площадь поверхности. Диафрагма громкоговорителя может быть изготовлена ​​из ткани, пластика, бумаги или легкого металла. Внешняя часть диафрагмы прикреплена к ободу рамы — конец диафрагмы часто имеет волнистость, позволяющую основной части легко вибрировать.
• (4) Волнистость диафрагмы:  Волнистость диафрагмы позволяет основной части диафрагмы двигаться свободно и линейно.
• (5) Пылезащитный колпачок (купол):   Эта часть громкоговорителя с подвижной катушкой защищает звуковую катушку от пыли и грязи.
• (6) Звуковая катушка и каркас:   Подвижная катушка является ключевым элементом громкоговорителя. Он получает ток от аудиоусилителя, и протекающий ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитом, и это создает силу, которая перемещает катушку и, следовательно, диафрагму, к которой она механически прикреплена, создавая звуковые волны.
• (7) Крестовина (подвеска):   Это гибкая гофрированная опора, которая удерживает звуковую катушку на месте, позволяя ей свободно двигаться. Его нет на некоторых колонках более низкого уровня, но он обеспечивает очень полезную поддержку, обеспечивая правильное центрирование катушки. Обычно пространство вокруг катушки ограничено, чтобы обеспечить максимальную эффективность, и катушка не должна касаться соседнего магнита. Если он соприкасается, то слышен скрежещущий звук, когда катушка динамика входит и выходит.

Блок громкоговорителя с подвеской

Особенности громкоговорителя с подвижной катушкой

При проектировании и использовании громкоговорителя с подвижной катушкой полезно знать о некоторых конструктивных ограничениях, компромиссах и проблемах.

• Доплеровское искажение:  Обнаружено, что когда громкоговоритель воспроизводит как высокие, так и низкие частоты, движение, вызванное низкочастотным тоном, может привести к эффекту Доплера, присутствующему на высокочастотном тоне.

  Подробнее о . . . . Доплеровское искажение динамика с подвижной катушкой.

• Конструкция конуса:   Конструкция конуса диафрагмы представляет собой трудный компромисс. Конус должен быть жестким, но при этом иметь небольшую массу. Изгиб конуса может вызвать искажение сигнала, поэтому необходима жесткая конструкция. Небольшая масса также необходима для минимизации инерции, чтобы громкоговоритель мог точно реагировать на изменения звука. К счастью, в последние годы новые материалы помогли улучшить характеристики.

  Подробнее о . . . . Конус динамика / диафрагма.

• Подвеска конуса:   Способ подвески конуса или диафрагмы громкоговорителя с подвижной катушкой оказывает существенное влияние на его работу. Подвеска должна поддерживать выравнивание конуса, а также обеспечивать свободное движение внутрь и наружу. Центрирование катушки также обеспечивается на многих громкоговорителях за счет использования дополнительного подвеса рядом с катушкой. В более старых динамиках использовалась так называемая крестовина на передней части катушки, которая крепилась винтом к полюсному наконечнику. Это позволяло вручную центрировать динамик, если он когда-либо сбивался.
• Резонанс конуса:   Частота резонанса конуса часто указывается в спецификациях громкоговорителей. Мощность падает со скоростью 12 дБ на октаву ниже этого значения, поэтому чем ниже резонанс конуса, тем лучше отклик баса.

  Подробнее о . . . . Резонанс конуса громкоговорителя.

Громкоговорители с подвижной катушкой являются прецизионными элементами механики и электротехники. Существует баланс между многими противоречивыми требованиями, но результаты от хорошего громкоговорителя могут звучать действительно превосходно.

Другие аудио-видео темы:
HDMI
СКАРТ
Громкоговоритель
Наушники и наушники
микрофоны
УКВ FM-радио
RDS-данные
Цифровое радио
DVB-телевидение

    Возврат в меню Аудио/Видео. . .

How Speakers Work: Making Sound—-Institute of Acoustics

 

В предыдущем разделе мы видели, что звук распространяется волнами колебаний атмосферного давления, и что мы слышим звуки по-разному в зависимости от частоты и амплитуды этих волн. . Мы также узнали, что микрофоны преобразуют звуковые волны в электрические сигналы, которые можно закодировать на компакт-дисках, лентах, пластинках и т. д. Игроки преобразуют эту сохраненную информацию обратно в электрический ток для использования в стереосистеме.

Динамик — это, по сути, конечная машина для перевода — обратная сторона микрофона. Он принимает электрический сигнал и переводит его обратно в физические вибрации для создания звуковых волн. Когда все работает как надо, динамик производит почти такие же вибрации, которые микрофон изначально записал и закодировал на ленте, компакт-диске, пластинке и т. д.

Традиционные динамики делают это с одним или несколькими драйверами.

Создание звука: диафрагма

Типичный динамик с металлической корзиной, тяжелым постоянным магнитом и бумажной диафрагмой

Динамик создает звуковые волны за счет быстрой вибрации гибкого конуса или диафрагмы.

• Конус, обычно из бумаги, пластмассы или металла, крепится широким концом к подвесу.
• Подвеска, или подвеска, представляет собой обод из гибкого материала, который позволяет конусу двигаться и крепится к металлической раме привода, называемой корзиной.
• Узкий конец конуса соединен со звуковой катушкой.
• Катушка крепится к корзине пауком, кольцом из гибкого материала. Крестовина удерживает катушку на месте, но позволяет ей свободно двигаться вперед и назад.

Некоторые драйверы имеют купол вместо конуса. Купол — это просто диафрагма, которая расширяется, а не сужается.

Создание звука: звуковая катушка

Провод, проходящий через акустическую систему, подключается к двум разъемам на динамике.

Когда электрический ток, протекающий через звуковую катушку, меняет направление, полярная ориентация катушки меняется на противоположную.

Звуковая катушка представляет собой обычный электромагнит.

Если вы читали «Как работают электромагниты», то знаете, что электромагнит представляет собой катушку из проволоки, обычно намотанную на кусок магнитного металла, например железа. Прохождение электрического тока по проводу создает магнитное поле вокруг катушки, намагничивая металл, вокруг которого она намотана. Поле действует точно так же, как магнитное поле вокруг постоянного магнита: оно имеет полярную ориентацию — «северный» конец и «южный» конец — и притягивается к железным предметам. Но в отличие от постоянного магнита, в электромагните вы можете изменить ориентацию полюсов. Если вы измените направление тока, северный и южный концы электромагнита переключатся.

Это именно то, что делает стереосигнал — он постоянно меняет направление потока электричества. Если вы когда-либо подключали стереосистему, то знаете, что у каждого динамика есть два выходных провода — обычно черный и красный.

По сути, усилитель постоянно переключает электрический сигнал, колеблясь между положительным и отрицательным зарядом на красном проводе. Поскольку электроны всегда текут в одном и том же направлении между положительно заряженными частицами и отрицательно заряженными частицами, ток, проходящий через динамик, движется в одну сторону, а затем меняет направление и течет в другую сторону. Этот переменный ток заставляет полярную ориентацию электромагнита меняться много раз в секунду.

Создание звука: магниты

Когда электрический ток, протекающий через звуковую катушку, меняет направление, полярная ориентация катушки меняется на противоположную. Это изменяет магнитные силы между звуковой катушкой и постоянным магнитом, перемещая катушку и прикрепленную к ней диафрагму вперед и назад.

Так как колебания заставляют катушку динамика двигаться вперед и назад? Электромагнит расположен в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом. Эти два магнита — электромагнит и постоянный магнит — взаимодействуют друг с другом, как любые два магнита. Положительный конец электромагнита притягивается к отрицательному полюсу постоянного магнитного поля, а отрицательный полюс электромагнита отталкивается от отрицательного полюса постоянного магнита. Когда полярная ориентация электромагнита меняется, меняется и направление отталкивания и притяжения. Таким образом, переменный ток постоянно меняет магнитные силы между звуковой катушкой и постоянным магнитом. Это толкает катушку вперед и назад быстро, как поршень.

Когда катушка движется, она давит и тянет конус динамика. Это вызывает вибрацию воздуха перед динамиком, создавая звуковые волны. Электрический звуковой сигнал также можно интерпретировать как волну. Частота и амплитуда этой волны, которая представляет исходную звуковую волну, определяют скорость и расстояние, на которое перемещается звуковая катушка. Это, в свою очередь, определяет частоту и амплитуду звуковых волн, создаваемых диафрагмой.