【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第五章交流電

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫(kù)（1庫(kù)倫=3×10?靜庫(kù)）；電勢(shì)的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的。】

§5-6直流電動(dòng)機(jī)

【01】直流電動(dòng)機(jī)依靠直流電源（如直流發(fā)電機(jī)、蓄電池等）供電而轉(zhuǎn)動(dòng)，也是轉(zhuǎn)變電能為機(jī)械能的機(jī)器。

【02】直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和直流發(fā)電機(jī)一樣。同一電機(jī)，既可以當(dāng)作發(fā)電機(jī)，也可以當(dāng)作電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行工作。

【03】圖5·22表示一個(gè)放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)里的線圈 abcd，它的兩端通過(guò)換向器、電刷跟直流電源相連接。在圖(a)里，線圈里的電流方向是 a→b→c→d；根據(jù)左手定則，可以確定導(dǎo)線 ab 所受的磁場(chǎng)力指向左邊，cd 所受的磁場(chǎng)力指向右邊，兩個(gè)力組成一個(gè)力偶，使線圈繞 OO' 軸按箭頭所示的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖中(b)所示，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到中性面時(shí)，由于電刷與半圓環(huán)相脫離，電流不能經(jīng)半圓環(huán)通到線圈里，但由于慣性，它將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過(guò)中性面后，如圖中(c)所示，兩個(gè)電刷互換它們所接觸的半圓環(huán)，使線圈中的電流方向改為 d→c→b→a；此時(shí)導(dǎo)線 ab 所受的磁場(chǎng)力改為指向右邊，導(dǎo)線 cd 所受的磁場(chǎng)力改為指向左邊，因而線圈仍將沿原來(lái)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈每經(jīng)過(guò)中性面一次，它里面的電流方向就改變一次，但線圈所受的磁力偶方向卻不變。所以電動(dòng)機(jī)能夠繼續(xù)向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

【04】電樞在磁場(chǎng)里轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不管維持轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是什么，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電樞線圈里總要產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。我們已經(jīng)知道，在發(fā)電機(jī)里感生電動(dòng)勢(shì)的方向可以用右手法則來(lái)決定。那末在電動(dòng)機(jī)里，感生電動(dòng)勢(shì)的方向又是怎樣來(lái)決定的呢？想一想（答：由于在兩種情況下，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因都是由于電樞在磁場(chǎng)里轉(zhuǎn)動(dòng)，所以感生電動(dòng)勢(shì)的方向都可以用右手法則來(lái)決定）。在發(fā)電機(jī)里，感生電流是由感生電動(dòng)勢(shì)所形成，所以它們是同方向的。在電動(dòng)機(jī)里，電流是由外電源供給的，感生電動(dòng)勢(shì)的方向和電樞電流Ⅰ的方向相反，也就是和加在電樞線圈上的外電壓 V 的方向相反。因此我們把電動(dòng)機(jī)里的感生電動(dòng)勢(shì)叫做反電動(dòng)勢(shì) E反? 。

【05】用 R 表示電樞的電阻，V 表示外加電壓，E反?表示反電動(dòng)勢(shì)，那末通過(guò)電樞的電流強(qiáng)度應(yīng)為? 。

【06】上式表示：反電動(dòng)勢(shì)越小，通過(guò)電樞的電流越大。

【07】我們已經(jīng)知道，電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，電樞受到兩個(gè)力矩的作用。一個(gè)是磁力矩（磁場(chǎng)作用在通電線圈上的力矩），它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)是阻力矩（因負(fù)載和摩擦引起的力矩），它阻礙電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)這兩個(gè)力矩平衡時(shí)，電樞保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。如果負(fù)載增加，阻力矩就增大；此時(shí)，原來(lái)的平衡被破壞，電樞的轉(zhuǎn)速就要變慢。在轉(zhuǎn)速減慢的過(guò)程中，反電動(dòng)勢(shì)逐漸減小，于是電樞里的電流逐漸增大，因而磁力矩也逐漸加大，并于最后重新取得平衡；這時(shí)，電動(dòng)機(jī)又作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)速要比原來(lái)的慢了。經(jīng)驗(yàn)指出，負(fù)載越小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快；負(fù)載越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越慢；負(fù)載超過(guò)一定限度，電動(dòng)機(jī)就不能正常工作了。

【08】電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)力抵抗負(fù)載阻力做功，向外輸送機(jī)械能.磁場(chǎng)力做多少功，就向外輸送多少機(jī)械能，所以我們稱磁場(chǎng)力的功為電動(dòng)機(jī)的輸出功，磁場(chǎng)力的功率為電動(dòng)機(jī)的輸出功率。

【09】以通電電樞在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)為例來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)對(duì)電樞上任一導(dǎo)線（它的方向和磁力線垂直）的作用力，它的方向和磁力線及導(dǎo)線垂直（如圖5·23所示）。設(shè)令導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)速度為 v，則磁場(chǎng)力 F 的功率，式中 α 為磁場(chǎng)力 F 和導(dǎo)線速度 v 之間的夾角，磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 的單位為奧斯特，電流強(qiáng)度Ⅰ的單位為安培，導(dǎo)線長(zhǎng)度 l 的單位為厘米，速度 v 的單位為厘米/秒，功率 N 的單位為爾格/秒。如果改用瓦特（焦耳/秒）為功率的單位，則上式應(yīng)寫作：? 。

【10】根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，求得這根導(dǎo)線里的反電動(dòng)勢(shì)?，式中 β 為速度 v 和磁場(chǎng)強(qiáng)度的夾角。從圖上可以看出，β＝90°－α，所以上式又可寫作：? 。把 E 代入功率等式，得出? 。

【11】上式所表示的關(guān)系，不僅對(duì)電樞上一根導(dǎo)線適用，而且對(duì)電樞上所有的導(dǎo)線都適用，因而對(duì)整個(gè)電樞講也是適用的。所以我們說(shuō)：電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于通過(guò)電樞線圈的電流強(qiáng)度和反電動(dòng)勢(shì)的乘積。如用等式表示，則為? 。

【12】由公式可以得出，式中ⅠV 是電動(dòng)機(jī)的輸入功率，ⅠE反 是電動(dòng)機(jī)的輸出功率，Ⅰ2R 是使電樞導(dǎo)線發(fā)熱所耗損的功率。

電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸入功率的百分比叫做電動(dòng)機(jī)的效率，即? 。

【13】電動(dòng)機(jī)的輸入功率隨負(fù)載的大小而改變，負(fù)載越大，輸入功率也越大。電動(dòng)機(jī)的效率隨轉(zhuǎn)速的大小而改變，轉(zhuǎn)速越小，效率越低。

【14】當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很小，反電動(dòng)勢(shì)也很小，因此通過(guò)電樞線圈的電流很大（電樞的電阻很小，一般只有 0.5 歐姆左右）。例如：一座電動(dòng)機(jī)規(guī)定在直流 220 伏特電壓下工作時(shí)，允許通過(guò)的電流為 40 安培，假定電樞的電阻為 0.5 歐姆，那么在剛起動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)電流將大到安培。

【15】這樣大的電流強(qiáng)度可能把電樞線圈燒毀。因此，在直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電樞總和適當(dāng)?shù)碾娮璐?lián)在一起，來(lái)限制電流強(qiáng)度。等到轉(zhuǎn)速增加到一定程度，反電動(dòng)勢(shì)已足夠大時(shí)，再撤去電阻。我們稱這樣的電阻為起動(dòng)電阻。圖5·24是起動(dòng)電阻的示意圖。

【16】電動(dòng)機(jī)有許多其他發(fā)動(dòng)機(jī)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，象(1)不需要笨重的傳動(dòng)裝置；(2)使用便利，容易控制；(3)危險(xiǎn)性小，能在礦井中使用；(4)功率可大可??；(5)效率很高，可達(dá)70%以上。

習(xí)題5-6

1、對(duì)比直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的異同之點(diǎn)。

2、為什么直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)要用起動(dòng)電阻？

3、一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，它的電樞電阻是 2.5 歐姆，當(dāng)通過(guò)電樞的電流是 20 安培時(shí)，它所需要的功率是 2.4 千瓦，求這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電樞中的電流強(qiáng)度是 18 安培時(shí)，它的反電動(dòng)勢(shì)又是多少？這時(shí)電樞轉(zhuǎn)慢了，還是轉(zhuǎn)快了呢？【70伏特，75伏特，轉(zhuǎn)快了】

4、如附圖所示，電路中M為直流電動(dòng)機(jī)，電樞的電阻為 1.5 歐姆，跟電動(dòng)機(jī)串聯(lián)的電阻 R 為 8.5 歐姆，電源的電動(dòng)勢(shì)為 42 伏特，電源的內(nèi)電阻 r 為 0.5 歐姆，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，伏特計(jì)的讀數(shù)為 24 伏特，求：

(1)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流強(qiáng)度；【2安培】

(2)輸入到電動(dòng)機(jī)里的電功率；【48瓦特】

(3)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的電功率?！?2瓦特】

5、供給電動(dòng)機(jī)的電壓是不變的。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、輸入功率、輸出功率、電樞發(fā)熱所消耗的功率和效率應(yīng)如何變化？