Moment skręcający sił magnetycznych działających na obwód zamknięty z prądem

Najczęściej w omawianych przyrządach stosuje się zamknięty obwód elektryczny w postaci prostokątnej ramki umieszczonej w polu magnetycznym (il. 3.34). Sposób doprowadzenia prądu do ramki zależy od konstrukcji urządzenia. Na boki ramki działają siły magnetyczne według wzoru (3.5), zgodnie z kierunkiem śruby prawoskrętnej. Na każdy z boków $a$ działa siła:

Siły te tworzą więc moment:

obracający ramkę względem osi widocznej na rysunku. Natomiast siły działające na boki $b$ znoszą się wzajemnie – powodują one jedynie ściskanie lub rozciąganie ramki, ale nie wpływają na jej przemieszczenie ani na jej obrót.

Moment sił (3.46) można zapisać inaczej, jeśli wykorzystamy definicję momentu dipolowego (3.36): $p_m=Iab$, mianowicie:

Można udowodnić, że wzór (3.47) jest słuszny dla dowolnego obwodu płaskiego, niezależnie od jego kształtu. W szczególności, jest słuszny dla obwodu kołowego z prądem.

Galwanometr, amperomierz i woltomierz

Zasada działania analogowego galwanometru przedstawionego schematycznie na il. 3.35 jest wykorzystywana również w innych elektrycznych przyrządach pomiarowych prądu stałego, np. w amperomierzach i woltomierzach. Poznawszy tę zasadę, będziemy rozumieli ich działanie.

W galwanometrze ramka z prądem, wykonana w postaci prostokątnej małej cewki utworzonej z wielu zwojów cienkiego przewodnika, może się obracać w polu magnesu trwałego (ponieważ działa na nią moment sił uwidocznionych na rysunku) na osi osadzonej w precyzyjnym łożysku, takim jak w zegarkach. Spiralna sprężynka równoważy moment sił działających na ramkę. Kąt odchylenia ramki od położenia równowagi jest tym większy, im większy jest moment sił magnetycznych (3.46), który z kolei zależy od natężenia prądu w ramce. Mierząc ten kąt za pomocą wychylenia wskazówki, możemy określić wartość natężenia prądu płynącego przez ramkę. Warto tu zwrócić uwagę na specyficzny kształt biegunów magnesu trwałego. Zapewnia on, że w określonym zakresie kątów wychylenia ramki, kąt $\alpha$ między bokiem $b$ a siłą $F$ (patrz il. 3.35) pozostaje praktycznie prosty. Dzięki temu moment $M$ (wzór (3.46)) ma wartość proporcjonalną do natężenia prądu $I$. Powoduje to, że kąt wychylenia ramki wraz ze wskazówką jest także proporcjonalny do $I$.

Gdy chcemy, by galwanometr mierzył natężenie prądu, jego podziałka powinna być wyskalowana, np. w mikroamperach lub w miliamperach. Jeżeli galwanometr jest wykonany bardzo precyzyjnie i zmniejszono w nim tarcie na osi obrotu cewki do minimum, to może mierzyć bardzo małe prądy (ułamki mikroamperów). Zwykle jednak galwanometr służy do budowy amperomierzy i woltomierzy, które nie muszą być aż tak czułe.

To, czy miernik służy jako amperomierz, czy jako woltomierz, zależy od dołączonego do niego opornika. Amperomierz musi mieć mały opór. Nie cały mierzony prąd przechodzi jednak przez jego cewkę – część przechodzi przez oporniki bocznikujące, dołączone równolegle do cewki. Przełączając odpowiednio oporniki bocznikujące, możemy kierować większy lub mniejszy prąd do bocznika tak, by prąd płynący przez cewkę był taki sam przy różnych zakresach pomiarowych. Zmieniając w ten sposób stosunek natężenia prądu płynącego w cewce do całego mierzonego prądu, zmieniamy zakres pomiarowy amperomierza.

Woltomierz, odwrotnie niż amperomierz, powinien mieć jak największy opór. Dlatego w woltomierzu dodatkowe oporniki podłączone są w szereg z cewką. Podobnie jak w amperomierzu, przełączając odpowiednio oporniki, możemy zmieniać zakresy woltomierza.

Opisaliśmy tu niedużą klasę mierników elektrycznych prądu stałego. Elektryczna technika pomiarowa dysponuje obecnie bogatym zestawem mierników prądu stałego i zmiennego o różnych częstościach, działających na różnych zasadach. W każdym przypadku wykorzystuje się rozmaite zjawiska fizyczne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego, jak elektromagnetyczne, termiczne, optyczne i inne.

Silnik na prąd stały

Zasada działania silnika na prąd stały wykorzystuje to samo zjawisko, które jest wykorzystywane w galwanometrze – występowanie momentu sił skręcających ramkę z prądem w stałym polu magnetycznym. Pokazano to na il. 3.36. W polu magnetycznym, np. w polu magnesu trwałego, obraca się ramka z prądem, podobnie jak w przypadku galwanometru. Jednakże w silniku konieczny jest tzw. komutator, bez którego ramka obróciłaby się w położenie prostopadłe do linii pola magnesu (na rysunku – pionowo) i zatrzymała w tym położeniu, gdyż przy takiej orientacji ramki siły magnetyczne nie tworzą momentu obrotowego (ramię siły jest równe 0). Przy przejściu przez to położenie w ramce musi się zmienić kierunku prądu. Taką rolę odgrywa właśnie komutator. Stanowią go dwie połówki walca wykonanego z metalu (na rysunku oznaczone a i b), do których są podłączone końce ramki. Do obu połówek walca – poprzez ślizgające się po nim elektrody, „+” i „–” – doprowadzany jest prąd. Gdy obracająca się ramka dzięki bezwładności przechodzi przez „martwe” położenie, każda z połówek komutatora traci kontakt z dotychczasową elektrodą i styka się z elektrodą przeciwnego znaku. Powoduje to zmianę zwrotu prądu w ramce na przeciwny. Dzięki temu moment sił obraca ramkę ciągle w jednym kierunku i silnik może pracować.

W rzeczywistości w silniku znajduje się nie jedna, ale więcej ramek. Komutator składa się z tylu par wycinka walca, ile jest ramek w wirniku silnika. Ponadto zwykle zamiast magnesu trwałego stosuje się elektromagnes zasilany z tego samego źródła co ramki.