电动机为什么不能使用欧姆定律.doc

电动机与用欧姆定律的关系简析简介：在高中物理教学中，电动机因为不是线性元件而不能直接使用欧姆定律，但从电动机的构造和工作原理上看，在明确电动机线圈所加电压和电阻的情况下欧姆定律一样适用，而解决这个问题的关键就是一个重要的物理量-反电动势。关键词：欧姆定律 电动机 反电动势正文：关于电动机的问题在高中物理教学中介绍的不多，但是涉及到的多习却比较广泛。学生在解决电动机问题时，常常都会错误的使用欧姆定律。而我们对于电动机不能使用欧姆定律的解释仅以其不是线性元件来搪塞，但学生对与此的认识却不深刻而成为错误的根源。这里笔者简单讨论一下电动机为什么不能使用欧姆定律。（以下均以直流电动机作为研究对象）一.电动机的简单构成：电动机整体分为两大部分：即定子与转子。图1图21.定子就是电动机中固定不动的部分，主要包括磁极和电刷2.转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢主要包括铁芯和缠绕的线圈(在图1中，我们就把它简化为线圈)；换向器是直流电动机的一种特殊装置，实现将外部直流电流转化为线圈内的交流电流。二.电动机的工作原理图3直流电动机应用了“通电导体在磁场中受安培力作用”的原理。既通电线圈的两个侧边同时受到方向相反的绕轴的扭力作用，使线圈转动（如图3）。在转动的过程中，若电流大小不变，则所受的安培力大小就会恒定，这是由于圆弧形磁极所形成的磁场，使线圈转动时在每个位置的磁感应强度大小相等。同时在换向器配合电刷的作用下， 使线圈边在不同磁极下，将流过线圈中的电流方向加以变换，保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，安培里的方向也就不变了，这样就可以使电动机能连续稳定的旋转。三电动机为什么不能使用欧姆定律 在一般含有电动机的恒稳电路中是不能用欧姆定律的，我们除了说电动机是非线性元件之外，并没有太多解释，这里我们就结合电动机的原理和电路理论加以讨论：模型一：一个不受任何摩擦阻力作用的理想电动机，设线圈的直流电阻为R，加在电动机输入端的电压为U，且电动机不加任何负载。那么在电动机接通瞬间，线圈没有转动，因而此时电流可以计算为： ，显然这个是欧姆定律得出的结论。但是当线圈在安培力作用下转动起来之后，线圈的两条侧边就会切割磁感线，同时产生感应电动势，其大小为：图4（式中r为线圈的旋转半径，为转动的角速度，为侧边的长度）我们通过右手定则判定感应电动势的方向与外加电压方向刚好相反，因而我们将此时产生的感应电动势就称为反电动势：（如图4所示）这样加在线圈上的实际电压不再是U了，而变成了：，所以此时流过线圈中的电流应该为：。按照模型一的假设，由于电动机转动时没有阻碍作用，因而只要线圈中有电流，就一定受到安培力作用，其转动就会加速；与此同时线圈切割磁感线产生的反电动势E反也随之增加，这样电流就会不断减小，直到E反=U ，既线圈中的电流为零时，电动机就以稳定转动。整个过程的变化流程图为：从整个过程的分析来看，电流的求解还是应用了欧姆定律，所以在求解电动机线圈电流时，欧姆定律是可以应用的，关键是能够准确求出线圈上的实际电压，而不能错误的应用加在电动机输入端的电压。模型二：假设电动机在转动过程中受到恒定的阻力作用，其他条件不变。在通入电流后，线圈会受到安培力作，如果安培力比阻力小，线圈不会转动，此时电动机就相当于电阻；如果安培力比阻力大，线圈开始转动（如图5所示），且在转动时会因切割磁感线而产生反电动势，使电流持续减小，这个变化过程与模型一的情况完全相同。不同的是在电流持续减小的同时，线圈侧边所受的安培力也随之减小，当安培力与摩擦阻力平衡时，线圈到达了稳定的转动。既：F阻=BIL 此时流过线圈的电流可以表达为：I= F阻/BL，若用欧姆定律，我们可以表达为：如果用电动机做功，即电动机的转轴上固定一半径同为R轮盘，通过轮盘和细绳带动一质量为m的物体上升，如图6所示。在通入电源时，线圈开始转动，产生反电动势，电流持续减小，当安培力与摩擦力和绳子的拉力平衡时，线圈稳定转动，线圈中电流的求解与模型二的相同从能量的角度来看，三个模型的电动机在启动时，电流均为最大；线圈在加速转动过程中，由于反电动势的产生而逐渐减小，最终到达稳定的转动，在这个过程中，模型一的电能转化为线圈的动能和电热；模型二输入的电能除了转化为线圈的动能和电热之外，还有克服摩擦力做所消耗的能量；而模型三比模型二还多出转化为拖动物体的机械能。通过分析我们知道，对于电动机而言，并非不能使用欧姆定律，主要是没有找到电动机在工作时加在线圈上的实际电压，而不能直接有输入电压作来用欧姆定律算电流。对于现实中的电动机而言，无论是结构还是工作原理都比我们前文所描述的复杂的多，但其所应用的物理知识和分析理论都是一样的