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《电动机中反电动势模型的建立与释疑》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、2018年第11期物理通报中学物理教学电动机中反电动势模型的建立与释疑吴广国(北京景山学校北京100006)张思宇(北京市东城区教师研修中心北京100009)黄琭琰邹斌(中央民族大学理学院北京100081)(收稿日期:20180322)摘要:根据法拉第电磁感应定律,直流电动机工作转动过程中,产生的反电动势总是削弱了原电路中电源产生的电流,阻碍线圈的转动.通过“利用传感器观测小电动机工作”的实验验证了“电动机工作时产生反电动势,并且当转速越大,反向电动势越大时,回路中电流越小”的事实.还从理论上对电动机的简化模型———运动的导体棒切割磁感线产生反电动势的情况———进行了定量分析.最后从微
2、观及建模的角度解释了电动机通过反电动势将电能转化为机械能的机理,并详细阐述了为什么说安培力是洛伦兹力的宏观表现.关键词:电动机反电动势安培力洛伦兹力由图1可知,直流电动机工作时,当线圈处于图1问题来源中位置处,ab与cd均切割磁感线,根据右手定则,该人教版普通高中《物理·选修32》的“法拉第两部分动生电动势串联在电路中,与原回路中电源电磁感应定律”一节中讲到反电动势.教材中给出相反,使得原电源产生的电流减小,并阻碍了线圈的如图1所示的直流电动机,并提出了这样的问题:处转动.于磁场中的线圈转动,会使得线圈中产生感应电动电动机工作时,线圈中也会产生感应电动势,线势.那么,线圈中的感应电动势
3、对电源产生的电流是圈产生的感应电动势对电源电动势总是起反作用,起了加强作用还是减弱作用呢?是推动还是阻碍线因此通常把这个电动势称为反电动势.它的作用是[1]圈的转动呢?阻碍线圈的转动.如果电动机工作中发生突发情况使得机械阻力过大,导致电动机停止转动,这时反电动势为零,线圈就等于直接短接在电源两端;而一般线圈电阻都很小,这时通过其的电流很大,长时间的大电流很容易把线圈烧毁.因此,当发现电动机由于机械故障停转时,应立刻切断电源,维修检查.如图2通过实验研究直流电动机转动过程中,回路中电流随时间变化情况.电流的测量用Vernier图1直流电动机的模型和侧面图[2]电流传感器,每秒钟测样200
4、次,通过It图像可以北京物理学会2018-2019年度教育科研立项课题“中学物理创新实验研究”,课题编号:WLXH1825;北京市教育科学“十三五”规划一般课题“中学物理创新性自制实验与实验教学模式探索”,课题编号:30960012—38—2018年第11期物理通报中学物理教学看出,当闭合开关电动机开始转动时,电流较大等于0.37A,随着电动机转速越来越高,反向电动势越来越大,从而消弱了电源产生的电流.在该实验中,电动机处于空载状态,电动机转速较高,从而产生较大的反向电动势,电动机稳定转动后,回路中的实际电流很小等于0.024A.在5s时刻后用手去摩擦电图3导体棒ab运动切割磁感线产生
5、反电动势动机阻碍电动机的转动,直到电动机停止转动,实验开关S闭合瞬间,导体棒的速度为零图像和数据表明,当降低转速时,反向电动势减小,EI=R+r回路中电流增大,当电动机停止转动时,回路中电流BIl=ma约等于0.404A.求得此时加速度为最大值EBlamax=(1)m(R+r)设后续任意时刻t,导体棒ab的速度为v(t),则ab棒切割磁感线产生反电动势,电路图变为图4所示.图4ab棒充当反电动势ε(t)=Blv(t)E-Blv(t)=I(t)(R+r)(2)E-Blv(t)图2利用传感器观察电动机启动过程中电流的变化情况I(t)=(3)(R+r)2电动机中反电动势模型安培力使导体棒产生
6、的加速度可由牛顿第二定律得在直流电动机中,无论是图1电动机中线圈的dv(t)切割磁感线产生的反电动势,还是如图3所示运动BI(t)l=ma=m(4)dt的导体棒切割磁感线产生的反电动势原理都是相同所以的.如图3所示,足够长的平行光滑导轨PQ,MN相Bldvdt=(5)距l,处在同一水平面中,磁感应强度B的匀强磁场m(R+r)E-Blv(t)竖直向下穿过导轨面.横跨在导轨上的金属棒ab静解该微分方程,得22止,质量为m,电阻为R,导轨电阻不计.导轨间通过Bl-tE[1-em(R+r)]v(t)=(6)开关S将电动势为E,内电阻r的电池接在M,P两BL22端,试分析开关S刚闭合的瞬间和后续
7、过程中,金属BlE-Blta(t)=em(R+r)(7)m(R+r)棒ab的加速度、速度如何变化?导体棒中的电流如22EBl-t何变化?I(t)=em(R+r)(8)R+r—39—2018年第11期物理通报中学物理教学通过以上v(t)、a(t)、I(t)3个物理量的表达(2)从微观角度看,导体棒ab中的自由电荷所式,可以定性地画出v(t)、a(t)、I(t)函数图像如图5受洛伦兹力在上述能量转化中起着重要作用.为了所示.方便,可认为导体棒中的自
