Weird Science

Silnik jednobiegunowy

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w mie­sięcz­niku Młody Tech­nik (3/2014):

Ilustracja

Ples M., Sil­nik jed­no­bie­gu­nowy, Młody Tech­nik, 3 (2014), Wydaw­nic­two AVT, str. 62-63.

Sil­nik jed­no­bie­gu­nowy

Czym jest sil­nik? Mówiąc naj­o­gól­niej, sil­nik to maszyna prze­ksz­tałc­a­jąca jakiś typ ener­gii w ener­gię mecha­niczną. Ener­gia wyko­rzy­sty­wana przez sil­niki może mieć różną formę - sil­niki spa­li­nowe wyko­rzy­stują ener­gię cieplną pow­stałą w wyniku spa­la­nia różn­ego rodzaju paliw. Innym rodza­jem tych urządzeń są sil­niki elek­tryczne, w których ener­gia mecha­niczna pow­staje kosz­tem ener­gii elek­trycz­nej.

Sil­niki elek­tryczne, ze względu na swoją budowę i zasadę dzia­ła­nia, można kla­sy­fi­ko­wać na wiele spo­so­bów. Z racji rodzaju prądu elek­trycz­nego sto­so­wa­nego do ich zasi­la­nia, sil­niki można podzie­lić na te, które korzy­stają z prądu sta­łego i te, w których sto­so­wany jest prąd zmienny.

Pierw­szy, dzia­ła­jący sil­nik elek­tryczny prądu sta­łego został zbu­do­wany przez Micha­ela Fara­daya i zapre­zen­to­wany w 1821 roku, w Lon­dy­nie. Był to tak zwany sil­nik jed­no­bie­gu­nowy, lub ina­czej homo­po­larny.

Michael Fara­day żył w latach 1791-1867. Był samo­u­kiem, a jed­no­cze­śnie jed­nym z naj­więk­szych fizy­ków i che­mi­ków w histo­rii nauki angiel­skiej. Szcze­gól­nie cenił wagę eks­pe­ry­mentu, jako metody docho­dze­nia do prawdy, oczy­wi­ście nie zanied­bu­jąc jed­no­cze­śnie strony teo­re­tycz­nej. W szcze­gól­no­ści inte­re­so­wał się skut­kami prze­pływu prądu elek­trycz­nego przez prze­wod­niki meta­liczne i elek­tro­lity (sfor­mu­ło­wał prawa elek­tro­lizy, nazwane jego nazwi­skiem). Odkrył i opi­sał, między innymi, zja­wi­sko induk­cji elek­tro­ma­gne­tycz­nej i samo­in­duk­cji, co legło u pod­staw pow­sta­nia elek­tro­dy­na­miki. Uczony zbu­do­wał także pierw­szą prąd­nicę, oraz sil­nik elek­tryczny prądu sta­łego, którego uprosz­czoną wer­sję pre­zen­tuje niniej­szy arty­kuł.

Sil­niki jed­no­bie­gu­nowe mają dziś zna­cze­nie głów­nie histo­ryczne – wyparły je późn­iej inne kon­struk­cje, na przy­kład sil­niki komu­ta­to­rowe prądu sta­łego. Kon­struk­cja tych pierw­szych jest jed­nak na tyle pro­sta, że o wyko­na­nie takiego urządze­nia można się z łatwo­ścią poku­sić w warun­kach domo­wych czy szkol­nych. Wła­sno­ręczne zbu­do­wa­nie pro­stego sil­niczka, nawet roz­wi­ja­jącego zni­komą moc, z pew­no­ścią dostar­czy wiele satys­fak­cji, a jed­no­cze­śnie pozwoli spraw­dzić w prak­tyce wie­dzę wynie­sioną ze szkol­nych lek­cji fizyki.

Do budowy dzia­ła­jącego modelu sil­nika, jako źródło napięcia, jest potrzebne typowe ogniwo Lec­lan­chégo (tak zwany palu­szek) o napięciu 1,5V. Pro­po­nuję uży­cie ogniwa w wer­sji R14 (Ryc.1A), ze względu na więk­szą pojem­ność elek­tryczną. Potrzebny jest także magnes, naj­le­piej neo­dy­mowy, tutaj o śred­nicy 29mm (Ryc.1B).

I tu ostrze­że­nie: tak duże magnesy neo­dy­mowe potra­fią być naprawdę nie­bez­pieczne. Należy obcho­dzić się z nimi bar­dzo ostrożnie, ponie­waż uwol­nie­nie, przy­kła­dowo, palca przy­trza­śniętego między tymi magne­sami może być naprawdę trudne.

Uzu­pełn­ie­nie autora: w doświad­cze­niu należy uwa­żać, by prze­pływ prądu nie roz­grzał zbyt­nio bate­rii ani drutu, ponie­waż w eks­tre­mal­nym przy­padku może to pro­wa­dzić do popa­rzeń, a nawet eks­plo­zji bate­rii.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.1

Dla powo­dze­nia eks­pe­ry­mentu ważne jest także, by powierzch­nia magnesu prze­wo­dziła prąd elek­tryczny.

Ostat­nim i naj­ważn­iej­szym ele­men­tem sil­nika jest część ruchoma, czyli rotor (Ryc.1C), wygięty i zlu­to­wany z odcinka nie­i­zo­lo­wa­nego drutu mie­dzia­nego gru­bo­ści 0,5mm. Jego budowę dokład­niej ilu­struje Ryc.2. W gór­nej czę­ści drut należy wygiąć w ksz­tałt nie­wiel­kiej pętelki A, pełn­iącej rolę osi obrotu. Dolną część rotora sta­nowi pier­ścień B o śred­nicy o kilka mili­me­trów więk­szej od śred­nicy magnesu. Taka kon­struk­cja zapew­nia zado­wa­la­jącą sta­bil­ność. Całość musi być jak naj­le­piej wywa­żona.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.2

Oś rotora w cza­sie pracy sil­nika będzie się opie­rać na dodat­nim styku ogniwa gal­wa­nicz­nego (Ryc.3), co zapewni swo­bodę obrotu, a jed­no­cze­śnie zre­du­kuje opory ruchu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.3

Ogniwo należy usta­wić na powierzchni magnesu – trzeba się upew­nić, że między ujem­nym bie­gu­nem źródła napięcia, a powierzch­nią magnesu ist­nieje dobry styk elek­tryczny. Następ­nie należy zało­żyć rotor o tak dobra­nej dłu­go­ści, by pier­ścień deli­kat­nie doty­kał bocz­nej powierzchni magnesu (Ryc.4) zamy­ka­jąc obwód elek­tryczny.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.4

Jeśli sil­nik nie rusza natych­miast po zało­że­niu ele­mentu rucho­mego, to należy deli­kat­nie go roz­kręcić pal­cami. Dobrze wyko­nany sil­nik jed­no­bie­gu­nowy może się obra­cać ze sto­sun­kowo dużą pręd­ko­ścią, aż do wyczer­pa­nia bate­rii. Zabawkę można oczy­wi­ście „wyłączyć”, przez zdjęcie rotora.

Wyja­śnie­nie

Jak działa opi­sany model sil­nika? By to zro­zu­mieć naj­le­piej spoj­rzeć na poniższy sche­mat, gdzie zazna­czono jego główne ele­menty, oraz istotne tutaj oddzia­ły­wa­nia.

Ilustracja

Prąd elek­tryczny I pły­nie obwo­dem zamk­niętym przez wyko­nany z prze­wod­nika rotor i magnes, w kie­runku od bie­guna dodat­niego do ujem­nego. Magnes trwały wytwa­rza jed­no­cze­śnie pole magne­tyczne o induk­cji B. Linie sił tego pola prze­bie­gają, jak się przyj­muje, od bie­guna półn­oc­nego N, do bie­guna połu­dnio­wego S. Wia­do­mym jest, że na prze­wod­nik o dłu­go­ści l, przez który pły­nie prąd o natęże­niu I umiesz­czony w polu magne­tycz­nym o induk­cji B, działa tak zwana siła elek­tro­dy­na­miczna F, o war­to­ści danej wzo­rem (kąt α jest kątem między kie­run­kiem prze­pływu prądu, a kie­run­kiem linii pola):

F=B∙I­∙l∙sinα

Kie­ru­nek tej siły jest pro­sto­pa­dły do kie­runku prze­pływu prądu elek­trycz­nego i linii sił pola magne­tycz­nego. Jej zwrot okre­śla reguła lewej dłoni, co zazna­czono także na rysunku. Siła ta powo­duje obrót rotora w odpo­wied­nim kie­runku. Zmie­nia­jąc bie­gu­no­wość pola magne­tycz­nego, lub źródła napięcia można uzy­skać obrót w prze­ciw­nym kie­runku.

Należy jed­nak pamiętać, że podob­nie jak wiele innych maszyn elek­trycz­nych, taki sil­nik jest odw­ra­calny – może też pra­co­wać jako dysk Fara­daya, będący w isto­cie prąd­nicą. Gene­ra­tory elek­trycz­no­ści tego typu bywają ciągle wyko­rzy­sty­wane w zasto­so­wa­niach labo­ra­to­ryj­nych, do uzy­ski­wa­nia bar­dzo dużych natężeń prądu elek­trycz­nego.

Biblio­gra­fia:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa