Silniki elektryczne są stale obecne w naszym życiu. Znajdują się w wielu urządzeniach, takich jak: elektryczna szczoteczka do zębów, suszarka do włosów, mikser, winda, tramwaj i samochód. Kiedy jest gorąco, używamy wentylatora. Przykłady można by mnożyć. Jak działa to użyteczne urządzenie?

Silnik elektryczny to jedno z tych urządzeń, bez których bardzo trudno byłoby wyobrazić sobie życie takim, jakim znamy je obecnie. Bardzo istotnym elementem jego konstrukcji jest zestaw magnesów lub elektromagnesów
Już wiesz
  • opisać właściwości magnesów;

  • stwierdzić, że pole magnetyczne to przestrzeń, w której działa siła magnetyczna;

  • wyjaśnić, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd elektryczny;

  • stwierdzić, że ferromagnetyki (np. żelazo, kobalt, nikiel, stal) to substancje, które oddziałują z magnesem;

  • opisać zasadę działania elektromagnesu.

Nauczysz się
  • demonstrować, jak siła elektrodynamiczna działa na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym;

  • opisywać i prezentować działanie silnika elektrycznego zasilanego prądem stałym.

1. Siła elektrodynamiczna

Doświadczenie 1

Wykazanie, że na przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny działa siła.

Co będzie potrzebne
  • magnes w kształcie podkowy;

  • giętki miedziany przewód z wyłącznikiem;

  • baterie 4,5 V lub zasilacz prądu stałego.

Instrukcja
  1. Ustaw elementy tak jak na poniższym rysunku:

Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
  1. Zamknij obwód i obserwuj odcinek przewodu znajdującego się pomiędzy biegunami magnesu.

  2. Zmień kierunek płynącego prądu, i ponownie obserwuj odcinek przewodu znajdujący się między biegunami magnesu.

  3. Odwróć magnes tak, aby biegun południowy (S) znalazł się na dole, a północny (N) – na górze. Powtórz obserwacje dla dwóch kierunków przepływu prądu.

Podsumowanie

Podczas przepływu prądu pojawiała się siła, która albo wypychałe przewodnik z przestrzeni pomiędzy biegunami, albo wciągała go w głąb podkowy magnesu. Oznacza to, że siła działała prostopadle do przewodnika. Zwrot tej siły zależał od tego, w którą stronę płynął prąd i jak były ustawione bieguny magnesu.
Wniosek: gdy przewodnik, przez który płynie prąd, umieścimy w polu magnetycznym, to na ten przewodnik będzie działała siła o kierunku prostopadłym do przewodnika.

siła elektrodynamiczna

– siła, jaką pole magnetyczne działa na przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny.

Czy można przewidzieć, w którą stronę siła elektrodynamiczna będzie działała na przewodnik? Jaki będzie zwrot tej siły?
Dokładna analiza przebiegu doświadczenia pozwala dostrzec pewną regułę, przedstawioną na poniższym rysunku:

Jak wyznaczać kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej

Z tej reguły wynika, że siła elektrodynamiczna jest prostopadła zarówno do przewodnika, jak i do linii pola magnetycznego przebiegających od bieguna północnego do południowego. Tą regułę można dość łatwo zapamiętać i używać jej do określania kierunku oraz zwrotu siły elektrodynamicznej. Wystarczy użyć trzech palców lewej dłoni. Trzeba ustawić kciuk, palec wskazujący i palec środkowy prostopadle do siebie. Palec wskazujący ustawiamy wzdłuż kierunku linii pola magnetycznego, biegnących od bieguna północnego do południowego. Środkowy palec ustawiamy wzdłuż przewodnika, w kierunku przepływu prądu. Gdy ustawimy tak te dwa palce, to kciuk będzie wskazywał kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej.

Zastosuj teraz tę regułę do przeprowadzonego doświadczenia i sprawdź, czy wyniki są zgodne z przewidywaniami.

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2

2. Silnik elektryczny

Jeżeli udało ci się rozwiązać prawidłowo dwa ostatnie zadania, to na pewno zrozumiesz, jak działa silnik elektryczny. Zmodyfikujmy nieco rysunek z zadania 2.

W którą stronę obraca się wirnik silnika?

Jak widać, końce ramki są teraz przymocowane do dwóch półpierścieni. Do nich z kolei przylegają tzw. szczotki – są to sprężyste blaszki. Do szczotek przyłączone jest napięcie elektryczne. Dwa półpierścienie tworzą tzw. komutator, czyli przełącznik. Ramka wraz z komutatorem tworzy tzw. wirnik, który może obracać się wokół osi O1O2.

Przeanalizujmy teraz działanie silnika. Zgodnie z powyższym rysunkiem na bok AB tzw. ramki działa siła elektrodynamiczna mająca zwrot w dół, a na bok CD – siła działająca w górę. Pod wpływem obu sił ramka zacznie obracać się w lewo i po obrocie o kąt większy niż 90 stopni miejsce boku AB zajmie bok DC – jest to pokazane na rysunku 2. Teraz prąd będzie płynął w ramce od punktu D, przez C i D, aż do A. Oznacza to, że będzie płynął w przeciwną stronę niż przedtem. Jak wpłynie to na siły działające na boki ramki? Popatrzmy jeszcze raz na rysunek 2. Teraz siła elektrodynamiczna działałająca na bok DC ma zwrot skierowany w dół (przedtem działała w górę). Podobnie jest w przypadku boku AB – siła działała wcześniej w dół, a teraz działa w górę. W którą zatem stronę będzie obracał się wirnik?

Część z was już znalazła odpowiedź – wirnik nadal będzie obracał się w lewo. Dlaczego? Bo siła elektrodynamiczna zawsze jest skierowana w dół, jeśli działa na ten bok ramki, który znajduje się bliżej bieguna północnego. Natomiast jeśli siła elektrodynamiczna działa na bok, który znajduje się bliżej bieguna południowego, zawsze jest skierowana w górę. Znamy więc zasadę działania silnika elektrycznego zasilanego napięciem stałym.

Głównymi elementami silnika są wirnikmagnesy. Stanowią one tzw. stojan. Często zamiast magnesów stałych są tam używa się elektromagnesów (chociaż budowa takiego silnika jest bardziej skomplikowana, zasada działania pozostaje niezmienna).

Podsumowanie

  • Gdy przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny, umieścimy w polu magnetycznym, zacznie na niego działać siła elektrodynamiczna.

  • Siła elektrodynamiczna ma kierunek prostopadły do przewodnika. Jej zwrot zależy od tego, w którą stronę płynie prąd elektryczny, oraz od tego, jak ustawiony jest przewodnik względem biegunów magnesu.

  • Do przewidywania kierunku i zwrotu siły elektrodynamicznej stosujemy regułę trzech palców lewej lewej dłoni.

  • Silnik zbudowany jest ze stojana i wirnika. Stojan składa się z minimum dwóch magnesów trwałych lub elektromagnesów. Ruch wirnika spowodowany jest oddziaływaniem magnesów (lub elektromagnesów) na przewodnik z prądem (wirnik).

  • Silnik elektryczny zamienia energię elektryczną na pracę mechaniczną.

Praca domowa
Polecenie 1.1

W naszym przykładzie silnik obracał się w lewo. Jakich dwóch sposobów możesz użyć, aby wirnik obracał się w prawo? Przedstaw te sposoby i je wyjaśnij.