Электрический двигатель
Электрический ток надо было заставить работать. Главной задачей учёных и конструкторов стало превращение электрической энергии в механическую — создание электродвигателя, мотора. Принцип действия мотора, основанный на явлениях электромагнетизма, открыл Фарадей в 1821 г. Первый рабочий электродвигатель создал в России физик Б.С. Якоби в 1834 г.
Двигатель в бокале
Фарадей создал прототип электродвигателя (мотора) раньше, чем прототип электрогенератора. Он превратил замеченное Эрстедом отклонение магнитной стрелки током проводника в обратное явление — во вращение проводника вокруг неподвижного магнита. Фарадей укрепил на дне бокала с ртутью магнит. Ртуть, как отличный проводник, замыкала в электрическую цепь концы опущенных в неё проволок, которые запитывались от батареи. Для свободы движения одну из проволок Фарадей подвесил и снабдил поплавком. При включении тока проволока (ротор) совершала работу — вращение вокруг магнита (статора). Так был открыт принцип электродвигателя.
Характеристики электрического тока
Постоянный ток идёт в одном направлении и практически не меняет свою силу и напряжение. Постоянный ток вырабатывается, например, батареей Вольта — в ней нельзя изменить направление движения электронов, их скорость и количество. Переменный ток — это ток, изменяемый по величине (модулю) и по направлению движения зарядов (электронов). В бытовых электросетях используется переменный ток.
Частота тока (f) — характеристика переменного тока, показывает, сколько раз направление силы тока меняется за единицу времени (число периодов в секунду). Измеряется в герцах «Гц» (в честь Гэнриха Герца). В бытовых электросетях частота тока 50 Гц.
Сила тока (I) — это количество зарядов, проходящее через проводник в единицу времени. Измеряется в амперах «А» (в честь Анри Ампера). Бытовые электросети рассчитаны на силу тока до 16 А.
Напряжение (U) — характеристика электрического поля, работа, затраченная на передвижение единичного заряда (электрона), «давление» тока. В длинном проводнике напряжение больше, чем в коротком: чем больше расстояние между концами проводника, тем больше работы будет затрачено на перемещение по этому проводнику электронов, тем больше будет напряжение. Измеряется в вольтах «В» (в честь Алессандро Вольта). В бытовых электросетях напряжение составляет 220 В.
Сопротивление (R) — способность материала проводить ток, «качество» проводника. У изолятора сопротивление высокое, у проводника — низкое. Измеряется в омах «Ом» (в честь Георга Ома).
Соотношение напряжения, силы тока и сопротивления для постоянного тока вычисляется по формуле: U = I*R.
Электромагнитные силы
Исследования Фарадея продолжил серией опытов Ампер. Он открыл силу, которая действует от внешнего магнита на проводник с током и заставляющую его двигаться в определённом направлении. Эта сила Ампера действует на проводник в целом и аналогична силе Лоренца, действующей на электроны проводника (например, в диске Фарадея). Влияние сил Лоренца и Ампера обусловлено взаимным притяжением разнонаправленных магнитных потоков и взаимным отталкиванием однонаправленных магнитных потоков. Сила Ампера выталкивает проводник в направлении, которое определяется «правилом левой руки».
Первый мотор
Опыты Фарадея и Ампера подсказали конструкторам путь к созданию электродвигателя для практического использования. Первым решил эту задачу российский учёный Б.С. Якоби. В 1834 г. он создал электродвигатель, работающий от батареи гальванических элементов. К электромагнитам на статоре поочередно притягивались электромагниты ротора, которые то приобретали, то теряли полярность за счёт подключения к току и обесточивания. В 1838 г. Якоби установил свой мотор на лодке для вращения вала гребных колёс, приводящих лодку в движение.
Развитие идеи
Принцип изобретения Якоби лёг в основу всех электродвигателей, вращающих валы станков, лопасти вентиляторов, барабаны стиральных машин, венчики миксеров и ножи кофемолок. В 1835 г. была открыта обратимость электрических машин: при механическом раскручивании ротора в статоре вырабатывается ток, и электродвигатель превращается в электрогенератор.