资源简介

项目六 搭建简易直流电动机电路
学习项目名称 搭建简易直流电动机电路
情境应用 直流电动机、电磁秋千等
基础知识点 磁场的基本物理量 电流的磁效应 磁场对电流的作用
认知技能点 认识直流电动机 认识漆包线
操作技能点 简易直流电动机的搭建
课程场地 《电工技术基础与技能》课程教室
设计课时 4
一、项目应用
电流不仅可以流过电阻性负载以发光、发热的形式做功，还可以转换成磁能或通过磁能再转换成机械能来做功。如产生电流的发电机；作为负载的电动机、电磁铁、变压器、计算机、电话机、电视机、收音机等大量的电子电器设备都与磁现象有着密切的联系。电和磁是两种相互联系、相互依存、不可分割的基本现象。因此，我们一般将电和磁统称为电磁现象，包括电流的磁场（电生磁）和电磁感应（磁生电）。电磁秋千就是电流磁效应的一种应用，如图6-1所示，
二、项目原理
（一）电流的磁效应
1、磁场
磁场是一种特殊的物质，具有力和能的性质。磁场的存在可以通过一个小实验来验证：在一块条形磁铁的周围放几个小磁针，稳定后可以看到小磁针会按一定规律排列，如图6-2所示。这表明磁体周围存在着磁力作用的空间，这种空间就称为磁场。
小磁针的有序偏转说明磁场是有方向的。一般规定，在磁场中的任一点，小磁针N极受力的方向，即小磁针静止时N极所指的方向为该点的磁场方向。为形象的表示磁场的方向，人们假想在磁场中假想了一些互不交叉的曲线，即所谓磁感线（曾称为磁力线），这些曲线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向。磁感线在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极；离磁极越近磁感线越密，即磁感线的疏密程度反映了磁场的强弱程度，磁感线越密表示磁场越强，越疏表示磁场越弱。通常在图中就用磁感线的多少和疏密程度来定性的描述磁场的分布情况。
2、电流的磁效应
研究发现磁体不是产生磁场的唯一物质。1820年，丹麦物理学家在实验中发现，将一条导线平行的放在小磁针上方时，给导线通电小磁针就会发生偏转，当导线断电后，小磁针又恢复到原来的指向。这说明电流也能产生磁场。
通电导线的磁场方向与电流方向的关系可以用安倍定则（也称为右手螺旋定则）来进行判定：在通电直导线中，用右手握住导线，让大拇指方向与电流方向一致，则四指环绕方向就是磁场的方向；在通电螺线管中，用右手握住通电螺线管，让四指方向与电流方向一致，则大拇指所指方向为磁场方向（即通电螺线管的N极），如图6-3所示。
3、磁场的基本物理量
1）磁感应强度
磁感应强度是描述磁场中各点磁场强弱和方向的物理量，用符号B表示。在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特（T）。在磁场中，如果各点的磁场强弱都相同，磁感线就是等距离的平行直线，这样的磁场称为匀强磁场。
在匀强磁场中，与磁场方向垂直的通电导线所受的电磁力F与电流I和导线长度l的乘积之比为一个恒量。这个比值就是该匀强磁场的磁感应强度，其数学表达式为
式中 B—磁感应强度，单位为T；
F—通电导体所受磁场力，单位为N；
I—导体中的电流，单位为A；
—导体长度，单位为m。
磁感应强度是矢量，它不但表示出该点的磁场方向，也表示该点的磁场方向。地面附近地磁场的磁感应强度大约是0.3×10-4T，永久磁铁附近的磁感应强度大约是1×10-3T，电动机和变压器的铁芯中，磁感应强度可达0.8～1.4T。
例6-1 已知在一个匀强磁场中，有一段与磁场方向垂直的导线，导线的长度为0.2m，通入5A的电流后，测得导线受到的磁场力为0.2N，求此匀强磁场的磁感应强度B。
解:由磁感应强度定义式可得
2）磁通
磁通是描述磁场在一定面积内磁力线分布情况的物理量。在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个与磁场方向垂直的面积为S的平面，磁感应强度B与面积S的乘积，就是穿过这个平面的磁通量（简称磁通），其数学表达式为
式中 Φ—磁通量，单位为韦伯（Wb）；
B —磁感应强度，单位为T；
S —垂直磁力线的面积，单位m2。
3）磁导率
磁导率是描述介质导磁能力强弱的物理量。用字母μ表示，单位是亨/米（H/m）。真空的磁导率是个常数，用μ0表示，其大小为μ0=4π×10-7 H/m。其他介质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率，用μr表示，相对磁导率是没有单位的，只是一个比值。
相对磁导率小于1的为反磁物质，如氢、铜、金、银等；相对磁导率略大于1的为顺磁物质，如空气、铝、锡、钨等；相对磁导率远大于1的为铁磁性物质，如铁、钴、镍、硅钢等。
4）磁场强度
磁场中某点的磁感应强度B与介质磁导率μ的比值，称为该点的磁场强度，用H表示，单位为安/米（A/m），其数学表达式为
磁场强度也是一个矢量，它的方向与磁感应强度的方向一致。
（二）磁场对电流的作用力
1、磁场对通电直导线的作用
由磁感应强度定义式变形可得到磁场对通电直导线的作用力公式，此公式适用于，在匀强磁场中，电流方向和磁场方向垂直时，通电直导线所受的电磁力（也称安培力），受力方向可用左手定则来判断：将左手伸平，使大拇指与其余四指垂直，跟手掌在一个平面内，让磁力线垂直穿过手心，四指方向与电流方向相同，此时大拇指所指的方向就是导线的受力方向。
当导线与磁场方向成α夹角时，导线受到的电磁力则为；当导线与磁场方向平行时，α=0 ，导线受到的电磁力为零。
2、磁场对通电线圈的作用
通电导线在磁场中会受到电磁力的作用，如果将导线折成线圈，同样也会受到电磁力的作用，而且作用在线圈两侧的电磁力大小相等，方向相反，且不在一条直线上，因此产生电磁转矩，这个电磁转矩时电动机旋转的基本原理。
例6-2 如图6-4所示，一条长度为0.3m的导线，通入0.5A的电流，放入一个磁感应强度为1T，方向垂直纸面向里的匀强磁场中，求该导线所受电磁力的大小及方向。
解：由题意可知，导线与磁场相互垂直，则电磁力大小为
电磁力的方向满足左手定则，在纸面上垂直于导线向左。
三、项目认知
（一）磁铁
磁铁是指能够产生磁场，具有吸引铁磁性物质属性的材料。分为天然磁铁和人造磁铁两大类，天然磁铁又叫天然磁石，是具有磁性的矿石；人造磁铁是以钢或磁合金为原材料，经过人工磁化生产的磁铁，常见形状有条形、蹄形、圆形等，如图6-4所示。
（二）漆包线
漆包线是制造电动机、变压器、电磁仪表的主要材料之一，由导体和绝缘层两部分组成。一般是由导线经过退火软化后，多次涂漆，烘培而成。如图6-5所示。
四、项目实施
（一）项目概述
本项目的任务是用磁铁、漆包线、电池盒、导线和木质支架制作一个简易电动机。成品结构如图6-6所示。
（二）电路元件布局
1、根据表6-1核对元器件清单
表6-6 元器件清单
序号 名称 规格 数量
1 铁氧体磁铁 Φ30mm 1个
2 漆包线 Φ0.10mm 50cm
3 电池盒 2节5号 1个
4 干电池 2节5号 1只
5 鳄鱼夹 小号 2个
6 叉形冷压端子（羊角钉） 1.25-3 2只
7 木质支架 1个
8 胶水 1支
2、电路元件布局图
电路元件布局如图6-7所示。
（三）任务执行
在所给的参考时间内，按表6-2 项目任务执行表中的执行步骤，对照执行标准完成执行内容中的各项任务，任务完成后在执行结果中打√，如有疑问请立即咨询指导老师。
表6-2项目任务执行表
序号 执行步骤 执行内容 执行标准 参考时间 执行结果
1 核对元件清单并检测 漆包线检查 判断质量好坏 5分钟
电池盒和电池检查
铁氧体磁铁检查
2 支架、磁铁安装和线圈绕制 木质支架安装 根据图7-6和图7-7安装木质支架、安装磁铁，将鳄鱼夹和电池盒引线焊接在一起，将漆包线有规则的缠绕成线圈，两端水平，一端全部刮漆作为正极，另一端只刮去一面的漆作为负极 15分钟
磁铁安装
电池盒与鳄鱼夹连接
线圈绕制
3 安放线圈，连接电源，观察现象 线圈安放 将线圈架在磁铁上方，将两节干电池装入电池盒，将鳄鱼夹接到叉形冷压端子，轻拨线圈 15分钟
干电池安装
接通电源
观察线圈转动
4 分析线圈旋转方向 根据左手定则分析判断线圈旋转方向 观察线圈旋转方向与分析是否一致 5分钟
总计：40分钟
五、项目评价
根据表6-3完成任务检测。
表6-3 任务检测标准
序号 检测内容 执行标准 自评 教师评
1 零部件搭建的正确性 1.零部件搭建完全正确 -A
2.部分零部件搭建正确 -B
3.不会搭建 -C
2 线圈旋转实现及方向判断 1.线圈能旋转，方向判断正确 -A
2.线圈能旋转，防线判断错误 -B
3.线圈不能旋转 -C
3 安全文明 1.工具摆放整齐，仪表使用规范，无安全事故 -A
2.工具不齐，但无安全事故 -B
3.出现安全事故或损坏仪表 -C
六、项目拓展
电磁弹射
电磁弹射技术是一种新兴的直线推进技术，适宜于短行程发射大载荷，在军事、民用和工业领域具有广泛应用前景。电磁弹射就是采用电磁的能量来推动被弹射的物体向外运动，其实就是电磁炮的一种形式。过去常采用的弹射有机械弹射，如弹簧、皮筋等。能量弹射如：子弹（利用火药瞬间爆发能量）、蒸汽弹射等。
电磁弹射是采用电磁作用原理产生的电磁推力使物体加速的。因电磁驱动力与电流平方成正比，所以只要保证足够的电流输入，便能在发射装内产生足够大的推力，使物体达到更高的速度。以导轨式电磁发射为例。其基本原理如图6-8所示。
开关S接通时，电源G通过导轨A、电枢D和导轨C，构成了电流回路；电流I产生磁场B，它对在磁场中流动的电荷产生了力F。由于导轨固定于刚体上不能移动，而电枢是活动体，所以电枢会在力的作用下以速度向v右运动。这就是电磁弹射的基本原理。
电磁弹射的主要应用范围是大载荷的短程加速,在军事上比较典型的是航空母舰上的舰载飞机起飞弹射，如图6-9所示。与蒸汽弹射器相比电磁弹射器的优点主要是体积减小了很多，操纵人数也要少百分之三十左右，而且电磁弹射器的弹射力度可控可以弹射无人机，缺点是耗电，但对于全电力推动的航母和核动力航母来说不是太大的问题。
七、项目练习
一、填空题
1.磁感应强度是描述磁场中各点磁场 和 的物理量。
2.磁通是描述磁场在一定 内磁力线分布情况的物理量。
3.磁导率是描述介质导磁能力 的物理量。
4.磁场强度磁场中某点的磁感应强度B与介质磁导率μ的 。
二、判断题
（ ）1.任何磁体都有两个磁极，即N极和S极。
（ ）2.磁场只有大小，没有方向。
（ ）3.在磁场中的通电导体一定会受到力的作用。
（ ）4.磁感应强度越大，产生的磁通也越大。
（ ）5.通电导线在磁场中受到的力为零，则该处的磁感应强度也一定为零。
（ ）6.两根靠的很近的平行直导线，若通入相同方向的电流，则它们相互吸引。
三、选择题
1.判定通电导线或通电线圈产生磁场的方向用（ ）。
A．右手定则 B. 右手螺旋法则 C. 左手定则 D. 电磁感应定律
2.下列物理量与磁导率无关（ ）。
A．磁感应强度 B. 磁通 C. 磁场强度 D. 磁阻
3. 铁、钴、镍及其合金的相对磁导率是（ ）。
A. 略小于1 B. 略大于1 C. 等于1 D. 远大于1

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