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電機電子 · 電容器與線圈

直流馬達與反電動勢

直流馬達將電流與磁場的交互作用轉換成旋轉。轉速增加時,反電動勢會影響電流與轉矩。

相關實驗:直流馬達 →
直流馬達
直流馬達實驗場景 →

意義與機制

磁場中載流線圈所受的力,在線圈兩側產生轉矩。換向器配合旋轉改變電流方向,使轉矩維持同一旋轉方向。

一個旋轉的線圈會產生一個電磁感應電壓,類似於發電機,該電壓會與提供的電壓方向相反。這解釋了為什麼啟動時和快速旋轉時,電流會發生變化。

關係與條件

在一個簡單的模型中,其中 I = (V−kω)/R,磁力矩與 kI 成比例。 旋轉加速度是透過從這個力矩中減去摩擦力和負載力矩來確定的。

該近似值適用於磁場、馬達常數以及粘性摩擦係數。實際的起動摩擦、換向損耗以及繞組加熱是獨立的效應。

觀察實驗中需要注意的事物

換向器保持力矩的方向;反電動勢降低電流。

該場和線圈是理想狀態,並且摩擦力是粘性的。如果沒有換向器,這個簡單的模型從 π/4 開始。在螢幕上進行實驗;不要用實際的電源、插座或高電壓來重複此實驗。

關鍵關係與符號

Jω′ = kI−bω−τload · I = (V−kω)/R

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
ω角速度rad/s
kω反電動勢V
J轉動慣量kg·m²

透過範例確認

電源為 6 V、電流為 0.968 A、電阻為 5 Ω 時,反電動勢是多少?

約 1.16 V

常見誤解

  • 馬達消耗的電流不一定隨轉速增加而增大。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

OpenStax · 物理學:大學教材,第二卷 (英文版)