【标题】
直流电机的原理是通电后的线圈在磁场中受到安培力，产生转矩使线圈转动。为了解决电机转动平稳性问题，这里要求的磁场是均匀磁场还是径向磁场？线圈在磁场中转动时会产生电磁阻尼吗？为什么电机正常工作时，输入功率不等于电热功率？为什么说电机的负载越大，通过电机的电流越大？下面以通过一匝矩形线圈的恒定直流电为例，分析一下直流电机的工作情况。
【问题1】
如图1所示，人教版高中物理教材选修课3-2中直流发电机模型P16图中，定子产生的磁场是均匀磁场还是径向磁场？ 哪种磁场更能使电机稳定旋转？
【分析】
直流电机的工作原理是利用磁场中通电线圈受到的安培力产生扭矩，使线圈旋转。
如图2所示，设一个边长AB为L1，边长BC为L2的单圈矩形线圈，置于磁感应强度为B的均匀磁场和电流强度为I的恒定直流电中，AB、CD两边受到的安培力相等，即FAB= FCD =BIL1，方向相反但不在一条直线上，产生的扭矩使线圈按逆时针方向旋转。
从线圈平面与磁场平行的位置出发，在安培力的作用下旋转一个角度θ，如图3所示。此时线圈在轴上因安培力所受的扭矩为=MAB+MCD=θ。
由此可知，在均匀磁场中，线圈旋转力矩与θ有关，且旋转效果是不稳定的。
如果同样的矩形线圈处于径向磁场中，如图4所示。同样，通电线圈AB、CD两边的安培力大小相等，FAB= FCD =BIL1，但方向相反，并不在一条直线上。
所不同的是，安培力在轴上的旋转力臂不随位置而变化，始终为
，即作用在线圈上的安培力矩为=MAB+MCD=。
通过比较可以看出，在直流电机模型中，径向磁场对通电线圈的旋转效应更加稳定。
为了克服线圈极向变化引起的旋转不稳定，会在转子上增加另一组线圈，并连接到另一个单独的换向器。这样，当第一组转子线圈旋转并改变其极向时，第二组线圈会通过换向器连接到电源，因此系统中始终存在使线圈旋转的扭矩，如图 5 所示。事实上，线圈组数越多，电机的旋转越平稳。
【问题2】
直流电动机中转子线圈恒速旋转时，有没有电磁阻尼现象？影响这种电磁阻尼的主要因素有哪些？
【分析】
当线圈在磁场中旋转时，线圈AB、CD两边的导线切割磁力线，产生感应电动势，阻碍了线圈与磁场之间的相对运动，我们称之为反电动势。
如果线圈以角速度ω旋转，则线圈中产生的反电动势的大小为
如图1所示，设线圈电阻为RM，串联组成闭合电路的外电路电阻为R0，总电阻R=RM+R0，则线圈中感应电流
。
感应电流在磁场中也受到安培力F电阻= BiL1的影响。此安培力会产生一个扭矩，使线圈向相反方向旋转，其大小为
，如果线圈有 n 匝电动机原理 高中物理，则电磁阻尼扭矩
。
可见，直流电动机中的电磁阻尼系数与线圈所在磁场的磁感应强度、线圈的匝数和面积以及电路中的电阻有关。此外，还与电动机工作时线圈的转速有关。
【问题3】
从节能角度来说电动机原理 高中物理，为什么说直流电动机正常工作时，其电功不等于电热呢？
【分析】
只有在纯电阻电路中，电功才等于电热。直流电动机工作时，线圈在磁场中产生反电动势，所以其电功大于电热。
假设电动机两端的电压为U，则闭合电路中的电流为
从能量守恒定律的角度讲，电动机的输入电功率UI等于电路中产生的电热功率I2R与电动机输出的机械功率之和，即UI=I2R+。
如果电机线圈不转的话，就不会产生反电动势，这时候电功就等于电热，电机内的电流就会很大，会烧毁电机。
【问题4】
为什么电机的输入功率UI会随着负载的增加而增大？
【分析】
当电动机两端电压U一定，电动机以恒定转速旋转时，安培转矩等于阻力矩，即M=M。
当负载增加时，阻力矩增大，安培转矩M增大，电机电流I增大，电机输入功率UI增大。
也就是说，当负载增加时，阻力矩就会增加，导致转速下降。
减少，根据
可以看出，随着电机电流I的增大，电机输入功率UI增大。
【思考】
磁电式电流表的工作原理与直流电动机相同，不同之处在于磁电式电流表更充分利用了电磁阻尼效应。
在使用灵敏的电流表时，我们不希望在测量电流后断开电路时，偏转的线圈在弹性恢复力的作用下在零点附近来回振动。为了解决这个问题，我们在电流表两端并联一个阻尼开关。测量电流时它断开；而当测量电路断开时，它迅速闭合，相当于外接一个阻值为0的电阻。转动的线圈产生很大的感应电流，受到很大的阻力，使线圈迅速停止转动，指针也迅速回到零位而停止。
根据以上提示，请尝试回答人教版教材选修课3-2第27页的问题。
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