Работа электродвигателей регулируется различными законами электричества и магнетизма, включая закон индукции Фарадея, закон кругооборота Ампера, закон Ленца и силу Лоренца. Первые два – закон Фарадея и закон кругооборота Ампера – включены в Уравнения Максвелла. Вместе с законом Ленца и силой Лоренца эти принципы составляют основу электромагнетизма.

Закон индукции Фарадея — это фундаментальный закон, по которому работают электродвигатели. Майклу Фарадею приписывают открытие индукции в 1831 году, но Джеймс Клерк Максвелл описал ее математически и использовал в качестве основы своей количественной электромагнитной теории в 1860-х годах.

Индуктивность — это свойство устройства, которое показывает, насколько эффективно оно индуцирует ЭДС в другом устройстве (или на самом себе).

Закон Фарадея обычно гласит, что в замкнутой катушке (контуре) провода изменение магнитного окружения катушки вызывает индуцирование напряжения или ЭДС (электродвижущей силы) в катушке.

Изменение магнитной среды может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля, перемещением магнита к катушке или от нее, перемещением катушки в магнитное поле или из него или вращением катушки в поле.

Наведенная ЭДС равна отрицательной скорости изменения магнитного потока, умноженной на количество витков в катушке:

Где:

E = ЭДС (В)

N = количество витков в катушке

Φ = магнитный поток (ткач, Вб)

t = время (с)

Обратите внимание, что магнитный поток равен среднему магнитному полю, B, (тесла, или Вт/м²), умноженный на перпендикулярную площадь катушки, которая проникает в магнитное поле, A (m²).

Закон Ленца демонстрирует причину отрицательного знака в законе индукции Фарадея. Другими словами, закон Ленца объясняет почему? ЭДС, генерируемая в соответствии с законом Фарадея, отрицательна.

Распространенный способ сформулировать закон Ленца таков: “Когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока, полярность индуцированной ЭДС такова, что она генерирует ток, магнитное поле которого находится в направлении, противоположном вызвавшему его изменению (исходному магнитному полю)”. То есть индуцированное магнитное поле всегда работает на поддержание постоянного магнитного потока.

Закон Ленца аналогичен Третий закон Ньютона в механике, которая гласит, что для каждого действия существует равная и противоположная реакция.

Существуют разногласия по поводу того, была ли сила Лоренца первоначально выведена Джеймсом Клерком Максвеллом или Оливером Хевисайдом, но обычно заслуга отдается Хевисайду. Хендрик Лоренц вывел современную форму уравнения в 1891 году.

Сила Лоренца — это сила, которую частица испытывает из-за электрических и магнитных полей. Электрические поля оказывают силу на частицу независимо от того, движется она или нет, в то время как магнитные поля оказывают силу только тогда, когда частица находится в движении. Комбинация сил от электрического и магнитного полей задается как:

Который упрощает для:

Где:

F = сила (N)

q = частица заряда (кулоновский, C)

E = электрическое поле (N/C)

v = скорость, перпендикулярная магнитному полю (м/с)

B = магнитное поле (тесла, Т)

Поскольку ток, по сути, представляет собой поток движущихся заряженных частиц, он также испытывает силу, обусловленную магнитным полем. В случае тока в магнитном поле уравнение силы Лоренца становится:

Где:

I = ток (A)

l = длина провода через поле (м)

Направление силы Лоренца определяется с использованием правила правой руки: направьте большой палец в направлении тока, первый палец — в направлении магнитного поля, а второй (средний) палец будет указывать в направлении силы.

Несмотря на свое название, закон кругооборота Ампера был выведен не Андре-Мари Ампером, а Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860 году и является одним из уравнений Максвелла электромагнетизма. (Ампер сформулировал Закон силы Ампера, который описывает силу притяжения или отталкивания между двумя токопроводящими проводами.)

Магнитное поле оказывает силу на прямой провод, по которому проходит ток. С помощью кругового закона Ампера напряженность магнитного поля может быть определена с помощью:

Где:

B = магнитное поле (T)

м₀ = магнитная проницаемость воздуха, Т-м/А

I = ток (A)

r = расстояние от провода (м)

Когда провод представляет собой петлю, магнитное поле вызывает силу в одном направлении на одной стороне петли и в противоположном направлении на другой стороне петли. Это создает крутящий момент, который заставляет катушку вращаться. Обратите внимание, что при подаче постоянного тока катушка будет колебаться взад и вперед, но не будет совершать полных оборотов – именно по этой причине двигатели постоянного тока используют коммутаторы. Двигатели, работающие на переменном токе (двигатели переменного тока), не имеют этой проблемы.

Кредит на изображение функции: TutorVista.com