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第六节 直流电动机
知识点一 直流电动机的原理 精练版P20
1．实验探究：通电线圈在磁场中受到力的作用
(1)设计并进行实验：如图所示，将一个线圈放在磁场里，接通电源，让电流流过线圈，观察发生的现象。
(2)实验现象：接通电源后，线圈在磁场中发生转动，但只转了大约90°，便摆动几下停在如图所示的位置。
(3)实验现象分析：通电线圈ab和cd两个边在磁场中受到力的作用，当所受力不在同一直线上时，线圈会发生转动；当两个力在同一条直线上时，线圈受到的两个力是平衡力，这个位置叫平衡位置。线圈的惯性使它可以冲过平衡位置，由于线圈受力方向不变，它会反向转动，最终线圈会停在平衡位置。
探究归纳：通电线圈在磁场中受力而转动，转到平衡位置时，线圈会左右摆动最终停止，而不能持续转动。
温馨提示：(1)通电线圈在磁场中因受到力的作用而发生转动，线圈平面与磁感线垂直的位置被称为平衡位置，线圈转到此位置时受到平衡力的作用。
(2)如果当线圈由于惯性刚好转过平衡位置时，立即改变线圈中的电流方向，那么由于受力方向改变，线圈就能按原方向继续转动下去。
例1 小明用漆包线绕成线圈，将线圈两端的漆全部刮去后放入磁场，如图所示。闭合开关S后，发现线圈只能偏转至水平位置，不能持续转动。为使线圈持续转动，下列措施中可行的是( )
A．换用电压更大的电源
B．换用磁性更强的磁体
C．重新制作匝数更多的线圈，将线圈两端的漆全部刮去
D．在线圈的一端重抹油漆，干后在适当位置刮去半圈
解析：将线圈两端的漆全部刮去后，线圈中的电流方向不能改变，线圈的受力方向也不会发生改变，所以闭合开关S后，发现线圈只能偏转至水平位置，不能持续转动。要想让线圈持续转动，需增加换向器，即在线圈的一端重抹油漆，油漆凝固后在适当位置刮去半圈，相当于添加一个换向器，使线圈能够持续转动，故D选项符合要求；换用电压更大的电源、换用磁性更强的磁体、重新制作匝数更多的线圈均不能改变线圈的受力方向，仍然不能持续转动，故A、B、C选项不符合要求。
答案：D
2．直流电动机
(1)定义：利用直流电源供电的电动机。
(2)原理：通电线圈在磁场中受到力的作用而转动。
(3)直流电动机的构造
直流电动机主要是由磁铁、线圈、换向器和电刷等构成。其中换向器是由两个彼此绝缘的铜制半环构成，如图所示。
①换向器的作用：每当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈连续转动下去。
②换向器作用的理解：当线圈转至平衡位置，两电刷跟两个半环间的绝缘部分接触，线圈中无电流，此时线圈不受力的作用，但线圈由于惯性会越过平衡位置。越过平衡位置后，两电刷接触的半环就调换了，线圈中的电流方向也随之改变。总之，依靠换向器与电刷的配合，每转半周，线圈中的电流方向就改变一次，从而保证线圈能不停地转动下去。
(4)直流电动机的工作过程
甲
线圈处于此位置时，换向器F与电刷A接触，换向器E与电刷B接触，通电后线圈中电流从换向器F→d→c→b→a→换向器E。由左手定则可知：线圈的ab边内电流由b向a，受到一个向上的磁场力，cd边内电流由d向c，边受到一个向下的磁场力，于是线圈沿顺时针方向转动
乙
线圈转过90°至平衡位置时，两电刷跟两个换向器间绝缘部分接触，线圈中无电流，线圈不受磁场力的作用，但线圈由于惯性会越过平衡位置，继续向前转动
丙
线圈越过平衡位置后，换向器E变为跟电刷A接触，换向器F变为跟电刷B接触，线圈中电流变为从换向器E→a→b→c→d→换向器F。由左手定则可知：ab受到向下的力，cd受到向上的力。线圈仍沿顺时针方向转动
丁
线圈又转至平衡位置时，其情况跟图乙所示相似。线圈由于惯性越过平衡位置后，线圈中的电流又从换向器F流向换向器E，其情况又和图甲所示相同，这样线圈就能不停地转动下去
温馨提示：直流电动机工作过程中还应注意的六个方面：
(1)直流电动机依靠换向器与电刷的配合，每当线圈刚刚转过平衡位置时，就能自动改变线圈中的电流方向，这样它就能够连续不停地沿同一方向转动下去。
(2)线圈在平衡位置时，线圈中没有电流通过，不受磁场力的作用。
(3)每当线圈转过一周时，线圈中的电流方向自动改变两次。
(4)要想改变电动机的转动方向，可以改变线圈中的电流方向或者改变磁场方向。
(5)要想改变电动机的转速可以改变线圈中的电流大小，也可以改变磁场的强弱。
(6)直流电动机工作时将电能转化为机械能。
例2 如图，为直流电动机的工作原理图。以下相关的分析中正确的是( )
A．电动机工作过程中，消耗的电能全部转化为内能
B．电动机工作过程中，消耗的电能全部转化为机械能
C．电动机工作过程中，线圈转过一周，电流方向改变两次
D．电动机工作过程中，线圈中的电流方向保持不变
解析：电动机工作过程中，消耗的电能大部分转化为机械能，同时线圈发热，一部分电能转化为内能，A、B选项错误；线圈转过一周，电流方向改变两次，C选项正确；直流电动机通过换向器不断改变线圈中的电流方向，才能保证电动机持续转动，D选项错误。
答案：C
知识点二 实用的电动机 精练版P20
1．电动机的组成
实际用的电动机由定子(固定不动的磁极)和转子(转动的线圈)两部分组成，如图所示。线圈有多组，嵌在圆柱形铁芯上，换向器也由许多对铜片组成。定子由机壳和电磁铁(或永磁体)组成，两个电刷由石墨与铜粉压制而成。
2．电动机的优点
构造简单、制造方便、体积小、效率高、便于控制、对环境污染小，而且种类繁多，能满足不同的需要。
3．电动机的分类及应用
电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机由直流电源供电。大型的直流电动机常用在电力机车、公交电车、货运电瓶车，轧钢机、起重机和刨床等方面。小型的直流电动机常用在电动玩具、录音机、录像机、影碟机等方面。
电扇、洗衣机、电冰箱等电器中使用的是交流电动机(外部电源提供的电流方向是变化的)。
带动水泵和农产品加工机械的电动机都是交流电动机，交流电动机的应用更广泛。
4．使用时的能量转化
电动机在使用时主要将电能转化为机械能，同时线圈通电时，由于电流热效应的存在，电流流经线圈时也会将少部分电能转化为内能。因此，电动机在使用时，要及时将产生的热量散发出去(比如加装风扇或外壳装有很多散热片)。
例3 (多选)关于电动机，下列说法中正确的是( )
A．电动机在工作时电能只转化为机械能
B．电动机与其他机械相比具有结构简单，体积小、效率高、便于控制等优点
C．家用洗衣机中使用的是直流电动机
D．电动机一般由转子和定子两部分组成
解析：电动机在工作时除将电能转化成机械能外，通电时也会发热，即有很小一部分电能还转化为内能，A选项错误；电动机具有B选项中所提到的优点，B选项正确，家用洗衣机中的电动机是交流电动机而不是直流电动机，C选项错误；电动机由定子和转子两部分组成，定子由电磁铁和外壳组成，转子由多个线圈组成，D选项正确。
答案：BD
注意：电动机的种类较多，从使用的电源来看可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机由直流电源供电，交流电动机由交流电源供电。
易错点 对电动机中的换向器的作用理解不清而致错
电动机中换向器的作用是当线圈刚转过平衡位置时，自动改变通入线圈中的电流方向，使线圈继续转动。因此，直流电动机线圈内的电流方向是改变的，但外电路中的电流方向是不变的。
例4 关于直流电动机线圈中的电流和外电路中的电流，下列叙述正确的是( )
A．线圈中的电流方向不变，外电路的电流方向改变
B．线圈中的电流方向改变，外电路的电流方向不变
C．线圈中的电流方向和外电路的电流方向都改变
D．线圈中的电流方向和外电路的电流方向都不变
解析：直流电动机中，换向器的作用是只改变线圈中的电流方向，而外电路的电流方向不变。
答案：B
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