Najprostszy silnik elektryczny
| English version is here |
Uproszczony, ale działający model
Istnieje bardzo wiele typów silników elektrycznych, i można je klasyfikować ze względu na różne kryteria. Jednyn z nich jest rodzaj dostarczanego do nich prądu. Możemy wyróżnić silniki prądu stałego i zmiennego.
Jednym z pierwszych silników elektrycznych prądu stałego był dysk Faradaya, który podobnie jak wiele silników był maszyną odwracalną. Po dostarczeniu energii mechanicznej wytwarzał energię elektryczną (generator jednobiegunowy).
My dziś zbudujemy najprostszy możliwy, ale działający model silnika prądu stałego.
Materiały
Materiały, potrzebne do wykonania zabawki można znaleźć w każdym gospodarstwie domowym. Potrzebujemy:
- Niewielka ilość drutu w emalii, o średnicy 0,3-0,6mm
- Bateria R6 - 1,5V
- Magnes, może być niewielki
- Materiały pomocnicze: cyna, kalafonia, fragment przewodu, a do wersji "luksusowej" fragment uniwersalnej płytki drukowanej
Przyda się nam oczywiście także lutownica, z grzałką oporową lub transformatorowa.
Przystępujemy do pracy
Emaliowany drut należy nawinąć na baterię tworząc niewielkie kółko, które posłuży nam za uzwojenie silnika. Następnie końcami drutu owijamy uzwojenie tak, by się nie rozwinęło.
By wirnik był gotowy trzeba jeszcze zdjąć izolującą emalię na końcach drutu, które posłużą nam za oś. Dodatkowo jeden z nich będzie też prymitywnym komutatorem. Dlatego też, o ile z jednej strony usuniemy całą emalię, to po drugiej musimy to zrobić tylko z jednej strony, od góry lub od dołu:
Najprościej jest to zrobić kładąc wyprostowaną końcówkę drutu na płaskiej powietrzchni, na przykład na blacie stołu, a następnie zeskrobując żyletką emalię od góry. Przypominam, że druga końcówka musi być odizolowana na całym obwodzie!
Na koniec prostujemy oś tak, by wirnik był możliwie dobrze wyważony.
Następnie należy wykonać dwie niewielkie obręcze(łożyska), w których będzie się obracał wirnik. Średnica obręczy powinna wynosić około 3 mm (do ich nawinięcia najlepiej użyć gwoździa).
Kawałki drutu z łożyskami trzeba jeszcze przylutować do baterii. Następnie przyklejamy od niej niewielki magnes, tak, aby jeden z jego biegunów był skierowany do góry. Całość powinna wyglądać mniej więcej tak:
Jeżeli teraz założymy wirnik, to powinien się on kręcić w dużą szybkością wokół własnej osi. Czasami jest potrzebny niewielki rozruch wstępny przez delikatne obrócenie wirnika aż "zaskoczy". Wykonany w ten sposób model silnika elektrycznego podczas działania możecie zobaczyć na filmiku:
Możemy wykonać także bardziej trwałą wersję tej zabawki fizycznej. Ja wykorzystałem większy magnes pochodzący od starego głośnika, który przymocowałem do uniwersalnej płytki drukowanej fragmentami drucików. Także bardziej sztywne wsporniki zostały do niej przylutowane. Bateria płaska o napięciu 4,5V znajduje się pod płytką, i także pod spodem są poprowadzone przewody dostarczające napięcie do wsporników. Widoczna po prawej stronie zworka pełni funkcję wyłącznika. Konstrukcja przedstawia się następująco:
Działanie tego modelu także jest zobrazowane filmikiem.
Jak i dlaczego to działa?
Cały dowcip polega na wykorzystaniu siły elektrodynamicznej. Siła ta działa na każdy przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny, umieszczony w polu magnetycznym. Jej działanie opisuje reguła lewej dłoni.
Kiedy przez cewkę płynie prąd to działa na nią siła elektrodynamiczna, ponieważ znajduje się ona w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes stały. Siła ta powoduje obrót cewki, aż do momentu kiedy przepływ prądu zostanie przerwany. Jest to spowodowane faktem, że jedna z osi, przez które jest doprowadzany prąd jest odizolowana tylko na połowie obwodu. Chociaż siła już nie działa, to cewka wykonuje drugą połowę obrotu dzięki swojej bezwładności. Trwa to aż do momentu kiedy oś obróci się na swoją odizolowaną stronę. Obwód zostanie zamnięty, a cykl się powtórzy.
Prezentowany silnik elektryczny to prosta, aczkolwiek efektowna zabawka fizyczna. Brak jakichkolwiek sensownych zastosowań praktycznych sprawia, że zabawa nią to czysta przyjemność.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Gates E., Introduction to Basic Electricity and Electronics Technology, Cengage Learning, 2013, str. 184
- Martin Th.C., Wetzler J., Bell L., The Electric Motor and Its Applications, The Development of the Electric Motor Since 1888, The W.J. Johnston Company, 1891
- Sherman R., Joseph Henry's contributions to the electromagnet and the electric motor, The Joseph Henry Papers, The Smithsonian Institution, 2007
Marek Ples