Электродвигатели: принципы их работы и повседневное применение

Тема урока

Электродвигатели: принципы их работы и повседневное применение.
Краткое содержание урока

Учащиеся знакомятся с основными принципами работы электродвигателей и их применением в повседневной жизни. Они строят из недорогих материалов действующую модель электродвигателя для использования в классе. Затем они выступают в роли "инженерной" группы, определяя, какие изменения необходимо сделать, чтобы приспособить этот электродвигатель для использования в фене для сушки волос.

Возрастные группы

10-18 лет.

Цели

Узнать основные принципы работы электродвигателей.

Применить теорию к использованию электродвигателей в повседневной жизни. Построить действующую модель электродвигателя для использования в классе.

Ожидаемые результаты для учащихся

В результате этого урока учащиеся должны расширить свои познания в следующих областях:

Принципы работы электродвигателей

Основные понятия магнетизма

Основные понятия электричества Кроме того, учащиеся должны применить теоретические знания к рассмотрению повседневного использования электродвигателей и расширить свои знания об устройстве и работе электродвигателей.

Электродвигатели:

Введение

Основные понятия, используемые при изучении электродвигателей:

Между магнитами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Одинаковые полюсы магнитов отталкиваются, а разные полюсы притягиваются. Электрический ток создает магнитное поле. Сила и направление магнитного поля зависят от силы и направления электрического тока.

Если намотать провод, по которому течет электрический ток, на железный стержень, получится магнит, который можно включать и выключать. Силу магнита и ориентацию его полюсов можно легко изменять, меняя силу и направление электрического тока.

Обзор общих принципов работы электродвигателей

♦Основные понятия магнетизма

Магнетизм - это сила природы, способная как притягивать, так и отталкивать. В отличие от силы тяжести, которая всегда является силой притяжения и действует на любые предметы, только некоторые материалы можно намагнитить так, чтобы они создавали магнитную силу, и только на некоторые материалы эта сила действует - в основном на металлы, например, железо и никель. Если предмет намагничен и оказывает магнитное воздействие, его называют магнитом. Магнит имеет два магнитных полюса: один называют северным, а другой - южным. Одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Таким образом, северный полюс притягивает южный полюс другого магнита, но отталкивает его северный полюс, а южный полюс притягивает северный полюс другого магнита, но отталкивает южный. Земля в действительности также представляет собой гигантский магнит, у которого есть северный и южный полюса, и именно поэтому южный полюс маленького магнита (например, стрелки магнитного компаса) всегда указывает на север. Магнитная сила образует вокруг магнита магнитное поле. Это магнитное поле состоит из силовых линий, идущих от северного полюса к южному. Если поднести друг к другу противоположные полюса магнитов, их силовые линии соединяются между собой, но если поднести друг к другу одинаковые полюса, их силовые линии расходятся.

♦Электромагниты

Ученые долгое время пытались понять, связаны ли между собой электрические и магнитные силы притяжения и отталкивания. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что провод с протекающим по нему электрическим током создает магнитное поле. Если же намотать провод на железный сердечник и пропустить через него ток, получится сильный магнит. Такое устройство называют электромагнитом. Затем английский физик Майкл Фарадей обнаружил, что в проводе, движущемся через магнитное поле, возникает электрический ток. Это явление называют индукцией.

♦Применение основных положений магнетизма и электричества к конструированию электродвигателей

Эти открытия привели к изобретению электрических генераторов и электродвигателей. Электрический генератор превращает движение (которое может создаваться паровой турбиной, ветряным двигателем и т.п.) в электрическую энергию. Электродвигатель превращает электроэнергию обратно в движение. Эти два типа машин образуют основу современной электроэнергетики.

Работа на уроке

Вводные замечания

Обзор общих принципов работы электродвигателей

A.Основные положения магнетизма

B.Электромагниты

C.Применение основных положений магнетизма и электричества к конструированию
электродвигателей.

Собираем электродвигатель

Экспериментируем

Идеи для уроков

Вопросы и ответы

Отзывы преподавателей

Ресурсы и материалы

Модель электродвигателя

Модель предназначена для изучения устройства и действия электродвигателя постоянного тока при проведении лабораторных работ по физике в средней общеобразовательной школе. Позволяет собрать и испытать простейший электродвигатель, изучить зависимость магнитной индукции от силы тока, движение проводника с током в магнитном поле.

Модель установлена на пластмассовом основании. Состоит их щеток с зажимами, обойм для постоянных магнитов якоря и центровочных винтов, служащих для его закрепления на оси. Электромагнитный якорь закреплен на оси с пластинами коллектора. Напряжение питания модели составляет 4 - 6 В.

Изготовлено компанией NEW EDUCATION LABORATORY (NINGBO) CHINA по заказу ООО «Е - Импорт» (143025, Московская область, Одинцовский р-н, пос. Немчиновка, Советский пр-т, д.18, а/я 15 )

Правообладателем торгового знака L-МИКРО® на территории Российской Федерации является NEW EDUCATION LABORATORY (NINGBO) CHINA на основании свидетельства Федеральной службы по интеллектуальной

Комплект: наждачная бумага, проволока, магнит, скотч, ножницы или кусачки, батарейки, маленькая отвертка.

Интернет-ресурсы

www.fiziks.org.ua/neodimovye-magnity.

www.youtube.com

Рекомендуемая литература

1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982, с. 188–190.
2. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 4. Учение о магнитных и электрических явлениях. – Берлин: Госиздат, 1923, с. 672–678.
3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972, с. 70–72.
4. Шателен М.А. Русские электротехники XIX века. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1955.
5. Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970.
6. Хорошавин С.А. Техника и технология демонстрационного эксперимента: Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1978.
7. Донат Б. Физика в играх. – М.–Л.: Детгиз, 1937.
8. Покровский С.Ф. Опыты и наблюдения в домашних заданиях по физике. – М.: Изд-во АПН РСФСР, 1963.
9. Покровский С.Ф. Наблюдай и исследуй сам. – М.: Просвещение, 1966.

Письменные работы (дополнительно)

Привести примеры применения электродвигателей дома или в школе. Написать эссе или заметку (в зависимости от возраста) о том, какую роль играет электродвигатель в устройстве, в котором он используется. Например, если бы электрический фен не имел электродвигателя, для создания воздушного потока его пришлось бы приводить в движение каким-либо другим способом.

Для преподавателей: Соответствие учебным программам

Образовательный стандарт основного общего образования по физике

Изучение физики в основной школе направлено на достижение следующих целей:

• 
  освоение знаний о электромагнитных явлениях
  
• 
  овладение умениями проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать результаты наблюдений, применять полученные знания для объяснения разнообразных природных явлений и процессов, принципов действия важнейших технических устройств
  
• 
  развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе решения интеллектуальных проблем, выполнения экспериментальных исследований; способности к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами;
  
• 
  воспитание убежденности в познаваемости окружающего мира, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважения к творцам науки и техники; отношения к физике как к элементу общечеловеческой культуры;
  
• 
  применение полученных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни, для обеспечения безопасности жизнедеятельности.
  

Обязательный минимум содержания основных образовательных программ

Электромагнитные явления:

опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Электромагнит. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель.

Наблюдение и описание:

взаимодействия магнитов, действия магнитного поля на проводник с током. Объяснение этих явлений.

Проведение простых физических опытов и экспериментальных исследований по изучению: действия магнитного поля на проводник с током.

Практическое применение физических знаний для безопасного обращения с электробытовыми приборами;

Требование к уровню подготовки выпускников

В результате изучения физики ученик должен

знать

• 
  смысл понятий: физическое явление, физический закон, вещество, взаимодействие, электрическое поле, магнитное поле,
  
• 
  смысл физических величин: сила
  

уметь

• 
  описывать и объяснять физические явления: взаимодействие магнитов, действие магнитного поля на проводник с током,
  
• 
  приводить примеры практического использования физических знаний о механических, тепловых, электромагнитных
  
• 
  проводить самостоятельный поиск информации естественнонаучного содержания с использованием различных источников (учебных текстов, справочных и научно-популярных изданий, компьютерных баз данных, ресурсов Интернета), ее обработку и представление в разных формах (словесно, с помощью графиков, математических символов, рисунков и структурных схем);
  

использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для:

• 
  обеспечения безопасности своей жизни при использовании бытовой техники;
  

Для преподавателей:

Полезные советы по сборке электродвигателя из комплекта

Питание осуществляется от источника постоянного тока типа ВУ-4. Для пуска двигателя необходимо повернуть якорь на 90° и подключить питание.

Разборка модели с целью ознакомления с ее устройством или при ремонте осуществляется в следующем порядке:

• 
  отвернуть центровочные винты,
  
• 
  слегка отогнув щетки, вынуть якорь.
  

Сборка модели производится в обратном порядке, соблюдая следующие условия:

• 
  установив на одном из центровочных винтов ось якоря, вторым центровочным винтом закрепить якорь так, чтобы вращение его было свободным при минимальном осевом зазоре,
  
• 
  контргайками зафиксировать положение центровочных винтов.
  

Техническое обслуживание.

• 
  По мере загрязнения коллектора и щеток их необходимо чистить ваткой, смоченной бензином. Подшипники якоря регулярно смазывать машинным маслом.
  
• 
  Возможные неисправности и методы их устранения.
  

№	Наименование неисправности	Вероятная причина	Метод устранения
	Якорь не вращается	Отсутствует контакт между щетками и коллектором или в местах подсоединения к источнику питания. Ось якоря зажата центровочными винтами. Не произведена первоначальная установка якоря.	Проверить наличие контакта. Подогнуть щетки, подвернуть клеммы. Ослабить центровочные винты. Повернуть якорь на 90 градусов

Материалы, не включенные в комплект

Наждачная бумага. Можно использовать наждачную бумагу или шлифовальную шкурку любого типа.

Скотч. Удобен для скрепления деталей

Ножницы или кусачки.

Батарейки. Контакты для батареек рассчитаны на батарейки типа AA. Аккуратно собранный электродвигатель может работать от одной новой батарейки типа AA, но при использовании двух последовательно соединенных батареек типа AA на двигатель подается напряжение 3 В, что обеспечивает более надежную работу. В действительности полезно иметь под рукой шестивольтовую батарею от фонаря для "трогания с места" особо капризных двигателей.

Маленькая отвертка.

Рекомендации по преподаванию с использованием комплекта для сборки электродвигателя

Применение комплектов для сборки электродвигателей может быть самым различным; оно ограничивается лишь фантазией преподавателя и учащихся. Приведенные ниже предложения предназначены только для стимулирования Вашей творческой фантазии. Никто не может предвидеть лучше преподавателя, как данная конкретная группа учащихся отреагирует на конкретную возможность, предложенную им в ходе обучения. Вы можете просто поставить собранную модель электродвигателя на учительском столе, чтобы возбудить у учащихся любопытство, а можете предложить учащимся после занятия дополнительные работы, например, написание исследовательских статей или коллективные усилия по усовершенствованию конструкции двигателя. Перечень экспериментов Вы можете найти в инструкции, поставляемой вместе с комплектом для сборки.

Для преподавателей:

Ресурсы для преподавателей

Комплект для сборки электродвигателя можно использовать в классе или при лабораторных занятиях по электромагнетизму для учащихся средней школы. Один из возможных вариантов занятия - демонстрация учащимся сборки электродвигателя в исполнении преподавателя. После этого каждый учащихся получает инструкцию по сборке и комплект деталей для сборки электродвигателя дома. Удовлетворительную оценку получает каждый учащийся, собравший в течение недели работающий электродвигатель и продемонстрировавший его преподавателю. Учащимся могут помогать родители, братья, сестры или друзья. Практический характер проекта гарантирует, что независимо от объема привлекаемой учащимся помощи некоторое количество знаний он получит обязательно. Проект обычно находит понимание со стороны родителей учащихся. Можно расширить практическую сторону занятий, предложив всем учащимся написать свое объяснение принципов работы электродвигателя.

Имея некоторый навык, электродвигатель можно собрать минут за 40 или даже быстрее. Однако учащиеся являются новичками, поэтому им для такой сборки требуется намного больше времени. Если преподаватель хочет, чтобы учащиеся собирали электродвигатель в классе, можно отвести на сборку несколько уроков и выполнять ее по частям. Например, в первый день можно дать краткое объяснение задания и собрать узел статора. Во второй день можно изготовить обмотку якоря электромагнита. Тогда на третий день останется окончательная сборка и проверка работоспособности готового электродвигателя.

Наиболее способным учащимся после таких занятий полезно предложить провести исследование по истории изобретения электродвигателя. При поиске в Интернете всплывут имена Эрстеда, Фарадея, Генри, Пейджа и Тесла, Якоби. Все эти ученые из Дании, Англии, Америки, Венгрии и России внесли свой вклад в изобретение и разработку электродвигателя. Однако один главный финальный шаг в разработке электродвигателя был сделан совершенно случайно. Во время проведения промышленной выставки в Вене в 1873 году свободную динамомашину случайно подключили ко второй динамомашине, которая в тот момент работала. Свободная динамомашина включилась и заработала как электродвигатель. Это явление было объяснено Зенобом Теофилом Грамме, разработчиком динамомашин, оказавшихся "участниками" этого эксперимента.

Ганса Христиана Андерсена и Ганса Христиана Эрстеда объединяет значительно большее, чем простое совпадение имен. Они оба жили в Дании в первой половине XIX века и оба были знамениты. Ганс Христиан Андерсен получил известность как писатель-сказочник, автор "Гадкого утенка" и "Девочки со спичками". Ганс Христиан Эрстед был выдающимся ученым. Готовя лабораторную демонстрацию для студенческой группы, Эрстед заметил, что электрический ток, протекающий по проводам от его установки, воздействует на стрелку лежащего рядом компаса. В июле 1820 года Эрстед написал статью, в которой описал взаимосвязь между электрическим током и магнитными явлениями. Когда Андерсен впервые встретился с Эрстедом, ему было всего 14 лет. Со временем Андерсен и Эрстед стали близкими друзьями. Андерсен потом написал об Эрстеде: "Его дом очень быстро стал и моим домом; когда его дети были маленькими, я играл с ними, смотрел, как они растут и как сохраняют свою любовь ко мне. В его доме я нашел своих самых первых и верных друзей". Не рассказывая заранее учащимся обо всех этих фактах, предложите им найти информацию и сделать доклады об этих людях и посмотрите, удастся ли хотя бы одному учащемуся найти связь между этими двумя знаменитыми людьми.

Для преподавателей:

Применение собранного электродвигателя

Комплект для сборки игрушечного электродвигателя - это пример так называемого "универсального" двигателя, который может работать как от постоянного тока, так и от переменного тока. Двигатели такого типа называют также электродвигателями с последовательным возбуждением, поскольку в нем обмотки статора и якоря соединены между собой последовательно. Электродвигатель с последовательным возбуждением не позволяет регулировать скорость с хорошей точностью из-за того, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. Однако электродвигатель с последовательным возбуждением обеспечивает увеличение крутящего момента при уменьшении скорости вращения и может работать на очень высоких оборотах. Эти характеристики позволяют обеспечить высокую мощность двигателя при относительно небольших его размерах. Ниже перечислены наиболее часто встречающиеся применения таких электродвигателей.

Кухонные миксеры

Кухонные комбайны

Ручные электроинструменты, такие как дрели, циркулярные и лобзиковые пилы, фрезеровальные

и шлифовальные станки. + Автомобильные стартеры + Электрические фены + Электробритвы с вращающимися ножами

Тяговые электродвигатели для дизельных электровозов, электропоездов и поездов метро Электродвигатели для тележек для гольфа и электромобилей

Электродвигатели для инвалидных колясок с электроприводом

Двигатели для роботов

Пылесосы

Информация для учащихся

Знакомство с электродвигателями.

Основные понятия, используемые при изучении электродвигателей

Между магнитами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Одинаковые

полюсы магнитов отталкиваются, а разные полюсы притягиваются. + Электрический ток создает магнитное поле. Сила и направление магнитного поля зависят от силы

и направления электрического тока. + Если намотать провод, по которому течет электрический ток, на железный стержень, получится

магнит, который можно включать и выключать. Силу магнита и ориентацию полюсов можно

легко изменять, меняя силу и направление электрического тока.

Основные понятия магнетизма

Магнетизм - это сила природы, способная как притягивать, так и отталкивать. В отличие от силы тяжести, которая всегда является силой притяжения и действует на любые предметы, только некоторые материалы можно намагнитить так, чтобы они создавали магнитную силу, и только на некоторые материалы эта сила действует - в основном на металлы, например, железо и никель. Если предмет намагничен и оказывает магнитное воздействие, его называют магнитом. Магнит имеет два магнитных полюса: один называют северным, а другой - южным. Одинаковые полюсы отталкиваются, а разные - притягиваются. Таким образом, северный полюс притягивает южный полюс другого магнита, но отталкивает его северный полюс, а южный полюс притягивает северный полюс другого магнита, но отталкивает южный. Земля в действительности также представляет собой гигантский магнит, у которого есть северный и южный полюса, и именно поэтому южный полюс маленького магнита (например, стрелки магнитного компаса) всегда указывает на север. Магнитная сила образует вокруг магнита магнитное поле. Это магнитное поле состоит из силовых линий, идущих от северного полюса к южному. Если поднести друг к другу противоположные полюсы магнитов, их силовые линии соединяются между собой, но если поднести друг к другу одинаковые полюсы, их силовые линии расходятся.

Электромагниты

Ученые долгое время пытались понять, связаны ли между собой электрические и магнитные силы притяжения и отталкивания. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что провод с протекающим по нему электрическим током создает магнитное поле. Если же намотать провод на железный сердечник и пропустить через него ток, получится сильный магнит. Такое устройство называют электромагнитом. Затем английский физик Майкл Фарадей обнаружил, что в проводе, движущемся в магнитном поле, возникает электрический ток. Это явление называют индукцией.

Применение основных положений магнетизма и электричества к конструированию электродвигателей

Эти открытия привели к изобретению электрических генераторов и электродвигателей. Электрический генератор превращает движение (которое может создаваться паровой турбиной, ветряным двигателем и т. п.) в электрическую энергию. Электродвигатель превращает электроэнергию обратно в движение. Эти два типа машин образуют основу современной электроэнергетики.

История развития электродвигателей

Многие люди могут сказать, что им в их каждодневной жизни электродвигатели не встречаются, в отличие, например, от электрических ламп или телефона. Причина состоит в другом способе применения электродвигателей. Это простые устройства, применяемые во многих бытовых электроприборах. Электродвигатель предназначен для пререобразования электрической энергии в механическую. Он потребляет электричество и преобразует его в полезную для нас энергию.

В своей работе электродвигатель использует магнитные силы и электрический ток.

История электродвигателей началась с появления электромагнитов. В 1834 году Якоби строит электродвигатель основанный на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами.Двигатель состоял из двух групп магнитов: четыре неподвижных были установлены на раме, а остальные на вращающемся роторе. Для попеременного изменения полярности подвижных электромагнитов служил придуманный учёным коммутатор, принцип устройства которого, используется до настоящего времени в тяговых электродвигателях. Двигатель работал от гальванических батарей и на момент создания был самым совершенным электротехническим устройством. Двигатель поднимал груз массой 10—12 фунтов (примерно 4—5 кг) на высоту 1 фут (примерно 30 см) в секунду. Мощность двигателя была около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. В этом же году Якоби направляет рукопись с описанием своей работы в Парижскую академию наук. Изобретение рассматривается на заседани Академи и практически сразу работа публикуется. Таким образом, о построенном в мае 1834 года в Кенисберге двигателе становится широко известно в декабре 1834 года

Сегодня электродвигатели используются повсеместно. Их можно найти в автомобилях и многих бытовых электроприборах. Хотя многие люди даже не представляют, как работают электродвигатели, их изобретение оказалось исключительно полезным.


Рабочий лист для учащегося:Вы - инженер!

♦Инструкции

Соберите электродвигатель из предложенного комплекта для сборки.

♦Постановка задачи

Вы входите в состав инженерной группы, получившей задание собрать электродвигатель и усовершенствовать его так, чтобы этот двигатель можно было безопасно применять в фене для сушки волос. Проведите в группе коллективное обсуждение имеющейся конструкции и предложите три изменения, которые вы бы рекомендовали произвести в двигателе. Примите во внимание, что фены часто

используют в непосредственной близости от воды, а также от мокрых волос.

Шаг 1: Вопросы:

1. Заменили ли вы какие-либо материалы, использующиеся в базовой модели, при конструировании вашего электродвигателя? Если заменили, поясните, почему вы рекомендуете использовать именно эти

материалы.

2. Добавили ли Вы в свою конструкцию какие-либо новые детали? Если добавили, поясните, почему вы рекомендуете добавить эти детали.

3. Изменили ли вы размер электродвигателя? Если да, поясните, почему вы рекомендуете изменить егоразмер.

4. Как вы думаете, приведут ли рекомендованные вашей группой изменения к удорожанию электродвигателя? Как это повлияет на цену фена?

Шаг 2:

Представьте в классе разработанную вашей группой конструкцию электродвигателя и обсудите, какие

знания вы получили в процессе усовершенствования имеющегося электродвигателя или адаптации его к конкретному применению.