GCSE 科学/电动机效应
电动机效应是指当载流导线在磁场中时所经历的力的术语。一个简单的实验演示将向你展示这是真的。
将连接到电源的导线放在蹄形磁铁的两极之间。打开电源，导线就会移动。通常运动非常小，因为典型的蹄形磁铁并不强。
力取决于许多因素
- 磁线圈内部磁场的强度，因为它通常是铁，而铁是磁吸引力的良好导体。(B)
- 流经导线的电流大小。(I)
- 导线与磁场方向之间的角度。(θ)
- 导线在磁场中的长度。(L)
力遵循公式：
前两点非常明显，所以让我们更详细地看一下第三点。蹄形磁铁的磁场几乎从北极到南极呈直线。如果导线以直角切割该场，则产生的力将最大。如果导线平行于场，从北极到南极或反之亦然，导线仍将受到电动机效应的影响。但是，这种力的净结果沿着导线，而不是垂直于它，因此导线不会转动。
话虽如此，在 GCSE 中，你只需要考虑场和导线以直角切割的情况。力始终垂直于场和流经导线的电流。这意味着如果你在一张纸上画出磁场和导线的方向，则力将从纸平面垂直指向向上或向下（关于你如何算出哪个方向的更多信息）。
看一下上面的图。为简单起见，只绘制了蹄形磁铁的两个末端。电源和连接线也没有显示。磁场进入屏幕。电流从右到左流动。黑线表示力，因此表示导线移动的方向。
- Q1) 命名一种可以增加导线上力的方法。
- Q2) 尽可能多地命名减少导线上力的方法。
- Q3) 命名两种反转导线上力的方法，使其向上推导线而不是向下。
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此规则使你可以算出力的方向。将你的左手排列，使你的拇指、食指和中指相互垂直。
- 指向你的 First finger 指向磁场的方向。
- 指向你的SeCond finger 指向 电流的方向。
- 然后， Thumb 将给你力的方向（推力）。
记住你必须使用你的左手！虽然你可以使用你的右手，只要你交换电流的方向和力的方向
Q4) 一名学生使用她的右手而不是左手。这将对她的力计算产生什么影响？
你会记得载流导线周围有它自己的磁场。下图显示了导线在两个 NS 相向的磁铁的磁场中端视图。由磁铁产生的场以蓝色显示，由导线中的电流产生的场以黑色显示。
注意箭头所示的两个场的方向。在导线上方，这两个场都朝同一个方向。它们加起来形成一个整体强场。
在导线下，它们朝相反的方向。它们在一定程度上相互抵消，形成一个整体弱场。新场在下图中显示。
看看导线上的场如何更强。线更靠近。在导线下，场较弱（由于部分抵消）场线更远。力向下推导线，远离强场进入弱场。就好像场线试图相互排斥。它们不喜欢被挤在一起，并试图拉直。它们也表现得好像由橡皮筋制成，不喜欢被拉变形。（这只是一个模型。线不是真实的，它们实际上不会试图相互推开，但我发现这是一种帮助我理解发生了什么的方法。如果它对你不起作用，就不要使用它）
- Q5) 使用场线不喜欢被挤在一起的想法来解释为什么两个具有相同极性的磁铁相互排斥。
- (Q6) 使用场线由橡皮筋制成，不喜欢被拉伸的想法来解释为什么两个具有相反极性的磁铁相互吸引。
好的，到目前为止，我们一直在研究将载流导线置于磁场中时产生的力。在本节中，我们将研究这种力的实际应用。正如你可能已经从本页的名称中猜到，实际应用将是电动机。
看一下上面的图。一个矩形线圈位于磁场内。我们可以考虑线圈的四个部分中的电流，并算出力的作用方向。
- 在线圈的左侧，电流正在流入页面或屏幕。磁场将从左到右流动，因此根据弗莱明左手定则，力将向下。
- 在线圈的背面和正面，电流平行于磁场，因此力为零。
- 在线圈的右侧，电流正在从页面或屏幕中流出。场仍然从左到右流动，因此力将向上。
这些不同力的净结果是，将存在一个转矩，使线圈旋转 90°。此时，向上和向下的力将沿同一直线作用，线圈将停止旋转。另一种思考方式是将线圈视为一个微小的单匝螺线管。螺线管将有一个小北极和小南极，因此将移动，直到它的北极与右侧磁铁的南极对齐，它的南极与左侧磁铁的北极对齐。
这一切都很有趣，但作为电动机却没有太大用处。我们想要的是在电流流过时不断旋转的东西。实现这一点的方法是使用换向器——一个分成两个半圆的圆形金属环。线圈的末端在换向器内部旋转。它们与之有电接触。换向器的一侧连接到电源或电池的正极。换向器的另一半连接到负极。
让我们看看线圈在换向器内部旋转时会发生什么
- 线圈顺时针旋转，因为如上所述，线圈的两个半部分上存在力。
- 随着线圈旋转，电线在换向器内部滑动。
- 当线圈处于垂直位置时，它不会受到力的作用，但它的动量会使其稍微向前移动。
- 换向器内部的电线与环的另一半接触。即，与换向器正半部分接触的电线现在接触负半部分，反之亦然。
- 这导致电流以相反的方式流过线圈，这反转了小螺线管磁铁。
- 因此，线圈试图通过继续旋转来与磁场对齐，最终指向另一个方向。
- 一旦线圈垂直并朝另一个方向，电线就会接触到换向器的原始半部分。整个循环一遍又一遍地重复
Q7) 一名学生设置了一个电动机并打开它。线圈顺时针旋转。列出两种可以反转方向的方法。
| 总结 |