第二節 簡單電動機

加上了電流換向器後,載電線圈在磁場中的轉動會如何呢?


顯示一個簡單電動機的可行設計。跟在上一節中的互動 \(1\) 設置不同,這裏我們引用了一個電流換向器 (commutator),該換向器可看作是一個帶有兩個間隙的導電半圓環。通過這個換向器我們就有以下情形。

把電路的開關閉合後:

設有電流換向器的載電線圈會
  • 維持靜止狀態
  • 循單一方向轉動
  • 轉動若干角度後便靜止

電流換向器的作用是當線圈位置超越垂直位置後,立即把進入線圈的電流逆向(如下方的所示),從而維持作用於線圈上的力矩和線圈轉動方向相同,線圈於是才可不斷轉動。

留意換向器隨線圈轉動時,會跟固定在兩旁的電刷維持接觸。電刷為石墨等導體,電流會經電刷進出線圈
圖中綠色的一對半圓環為換向器,其兩旁有一對固定的電刷 (brush)()緊貼。試點擊圖中的開關,演示電流換向器的作用

以下讓我們更仔細地看看電流換向器的運作:

設起初電線圈為平行於磁場:


所示,電流於 \(\rm{D}\) 半環進入電線圈,並於 \(\rm{A}\) 半環離開。

電線圈平行於磁場

當電線圈轉了 \(90\) 度,平面跟磁場垂直時:


顯示,由於兩半環均接觸不了外電源,故電流在此暫時停止。

電線圈轉了 \(90\) 度

當電線圈越過垂直位置,共已轉了 \(180\) 度後:


顯示,\(\rm{A}\) 半環和 \(\rm{D}\) 半環位置跟原來的對調了(相對於第 \(1\) 步時),電流流向於是便從 \(\rm{A}\) 半環流入並從 \(\rm{D}\) 半環流出,這就使得線圈內的電流逆向,從而保證線圈的暢順轉動。

電線圈轉了 \(180\) 度

演示了線圈上所感應的力:


總括而言,當電線圈越過垂直位置後,電流換向器便使線圈中的電流逆轉,令垂直於畫面的導線所感應的力也逆轉,保持線圈的轉動。

啟動動畫,演示在電流換向器作用下,導線所感應的力如何變化
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