Flemings vänsterhandsregel för motorer
Flemings vänsterhandsregel för elmotorer är en av ett par visuella mnemonics , den andra är Flemings högerhandsregel ( för generatorer). De skapades av John Ambrose Fleming , i slutet av 1800-talet, som ett enkelt sätt att räkna ut rörelseriktningen i en elektrisk motor , eller riktningen för elektrisk ström i en elektrisk generator .
När ström flyter genom en ledande tråd, och ett externt magnetfält appliceras över det flödet, upplever den ledande tråden en kraft som är vinkelrät både mot det fältet och mot strömflödets riktning (dvs. de är inbördes vinkelräta). En vänster hand kan hållas, som visas i illustrationen, för att representera tre ömsesidigt ortogonala axlar på tummen, pekfingret och långfingret. Varje finger tilldelas sedan en kvantitet (mekanisk kraft, magnetfält och elektrisk ström). Höger och vänster hand används för generatorer respektive motorer.
Konventioner
- Riktningen av den mekaniska kraften är den bokstavliga.
- Riktningen på magnetfältet är från norr till söder.
- Riktningen för den elektriska strömmen är den för [konventionell ström]: från positiv till negativ.
Första varianten
- Tummen representerar riktningen för ledarens rörelse.
- Framfingret representerar magnetfältets riktning.
- Mittfingret representerar strömmens riktning.
Andra varianten
- Thu m b representerar rörelseriktningen som härrör från kraften på ledaren
- Det första fingret representerar magnetfältets riktning
- Det andra fingret representerar strömmens riktning .
Tredje varianten
Van de Graaffs översättning av Flemings regler är FBI-regeln, lätt att komma ihåg eftersom dessa är initialerna för Federal Bureau of Investigation .
Fjärde varianten (FBI)
- F :et (tummen) representerar ledarens kraftriktning
- B (pekfinger ) representerar magnetfältets riktning
- I:et ( mittfingret) representerar strömmens riktning.
Detta använder de konventionella symboliska parametrarna F (för [Lorentz-kraft]), B (för [magnetisk flödestäthet]) och I (för [elektrisk ström]), och tillskriver dem i den ordningen (FBI) till tummen, först finger och andra finger.
- Tummen är kraften, F
- Det första fingret är den magnetiska flödestätheten, B
- Det andra fingret är den elektriska strömmen, I.
Naturligtvis, om mnemonikan lärs ut (och kommer ihåg) med ett annat arrangemang av parametrarna för fingrarna, kan det sluta som ett minnesminne som också vänder om de två händernas roller (istället för den vanliga vänstra handen för motorer, höger hand för generatorer). Dessa varianter är katalogiserade mer fullständigt på sidan [FBI mnemonics].
Femte varianten (Skjut fältet, känn kraften och döda strömmen)
Denna metod för att komma ihåg vilket finger som representerar vilken kvantitet använder vissa åtgärder. Först och främst måste du peka med fingrarna som en låtsaspistol, med pekfingret som pistolpipan och tummen som hammare. Gå sedan igenom följande åtgärder:
- "Skjut fältet" ut genom ditt pekfinger
- "Känn kraften" från pistolen rekylera upp genom din tumme
- Slutligen visar du ditt långfinger när du "dödar strömmen"
Skillnad mellan höger- och vänsterhandsregeln
Flemings vänsterregel används för elmotorer , medan Flemings högerregel används för elektriska generatorer . Med andra ord, Flemings vänsterhandsregel ska användas om man skulle skapa rörelse , medan Flemings högerhandsregel ska användas om man skulle skapa elektricitet .
Olika händer måste användas för motorer och generatorer på grund av skillnaderna mellan orsak och verkan.
I en elmotor finns den elektriska strömmen och magnetfältet (som är orsakerna), och de leder till kraften som skapar rörelsen (som är effekten), och därför används vänsterhandsregeln. I en elektrisk generator finns rörelsen och magnetfältet (orsaker), och de leder till skapandet av den elektriska strömmen (effekten), och därför används högerregeln.
För att illustrera varför, tänk på att många typer av elmotorer också kan användas som elektriska generatorer. Ett fordon som drivs av en sådan motor kan accelereras upp till hög hastighet genom att ansluta motorn till ett fulladdat batteri . Om motorn sedan kopplas bort från det fulladdade batteriet, och istället kopplas till ett helt tomt batteri, kommer fordonet att bromsa in. Motorn kommer att fungera som en generator och omvandla fordonets kinetiska energi tillbaka till elektrisk energi , som sedan lagras i batteriet. Eftersom varken rörelseriktningen eller magnetfältets riktning (inuti motorn/generatorn) har ändrats, har riktningen för den elektriska strömmen i motorn/generatorn vänt. Detta följer av termodynamikens andra lag (generatorströmmen måste motverka motorströmmen, och den starkare strömmen uppväger den andra för att låta energin flöda från den mer energirika källan till den mindre energikällan).
Fysisk grund för reglerna
När elektroner, eller några laddade partiklar , flyter i samma riktning (till exempel som en elektrisk ström i en elektrisk ledare , såsom en metalltråd ) genererar de ett cylindriskt magnetfält som sveper runt ledaren (som upptäcktes av Hans Christian Ørsted ).
Riktningen för det inducerade magnetfältet kan komma ihåg av Maxwells korkskruvsregel . Det vill säga, om den konventionella strömmen flyter bort från betraktaren, löper magnetfältet medurs runt ledaren, i samma riktning som en korkskruv skulle behöva vrida sig för att röra sig bort från betraktaren. Riktningen för det inducerade magnetfältet kommer ibland också ihåg av den högra greppregeln, som avbildas i illustrationen, med tummen som visar riktningen för den konventionella strömmen och fingrarna visar magnetfältets riktning. Förekomsten av detta magnetfält kan bekräftas genom att placera magnetiska kompasser på olika punkter runt periferin av en elektrisk ledare som bär en relativt stor elektrisk ström.
Tummen visar rörelseriktningen och pekfingret visar fältlinjerna och långfingret visar riktningen för inducerad ström.
Om ett externt magnetfält appliceras horisontellt, så att det korsar flödet av elektroner (i trådledaren eller i elektronstrålen), kommer de två magnetfälten att samverka. Michael Faraday introducerade en visuell analogi för detta, i form av imaginära magnetiska kraftlinjer : de i ledaren bildar koncentriska cirklar runt ledaren; de i det externt applicerade magnetfältet löper i parallella linjer. Om de på ena sidan av ledaren löper (från nord- till sydmagnetpolen) i motsatt riktning mot de som omger ledaren, kommer de att avböjas så att de passerar på andra sidan ledaren (eftersom magnetiska kraftlinjer inte kan korsa eller springa mot varandra). Följaktligen kommer det att finnas ett stort antal magnetfältlinjer i ett litet utrymme på den sidan av ledaren, och en brist på dem på den ursprungliga sidan av ledaren. Eftersom magnetfältets kraftlinjer inte längre är raka linjer, utan krökta för att löpa runt den elektriska ledaren, är de under spänning (som sträckta elastiska band), med energi bunden i magnetfältet. Eftersom detta energetiska fält nu för det mesta är fristående, skapar dess uppbyggnad eller utdrivning i en riktning - på ett sätt analogt med Newtons tredje rörelselag - en kraft i motsatt riktning. Eftersom det bara finns ett rörligt föremål i detta system (den elektriska ledaren) för denna kraft att arbeta på, är nettoeffekten en fysisk kraft som driver ut den elektriska ledaren ur det externt applicerade magnetfältet i motsatt riktning mot den som magnetiskt flöde omdirigeras till — i det här fallet (motorer), om ledaren bär konventionell ström uppåt och det externa magnetfältet rör sig bort från betraktaren, kommer den fysiska kraften att arbeta för att trycka ledaren åt vänster . Detta är anledningen till vridmoment i en elmotor. (Elmotorn är då konstruerad så att utstötningen av ledaren ur magnetfältet gör att den placeras inuti nästa magnetfält, och att denna omkoppling fortsätter på obestämd tid.)
Faradays lag säger att den inducerade elektromotoriska kraften i en ledare är direkt proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet i ledaren.
Popkultur
- I 2013 års videospel Metal Gear Rising: Revengeance nämner och använder karaktären Monsoon Fleming's Left-Hand Rule flera gånger under sin kamp.