Działanie silnika prądu stałego

RTVIqZkpEVIdj

Zdjęcie przedstawia przekrój pokazowy silnik elektryczny. z wyciętą mniej więcej jedną trzecią korpusu celem ukazania budowy wewnętrznej urządzenia. W centralnej części znajduje się wirnik, czyli część obrotowa. Ma ona postać długiego wału do którego przymocowany jest metalowy nieregularny cylinder otoczony blachą pełniącą rolę komutatora. Komutator u góry i u dołu przekroju styka się z metalowymi szczotkami, do których podłączona jest wiązka kabli elektrycznych. Zewnętrzna część korpusu silnika pomalowana jest na kolor srebrny, natomiast część wewnętrzną wyróżniono kolorem czerwonym.

Siła elektrodynamiczna

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:

RsMHgEv3RcAuh

Na rysunku przedstawiono trzy wektory. Poziomy wektor podpisano jako I, pionowy jako F, wektory te są do siebie prostopadłe. Narysowany jest też trzeci wektor prostopadły do płaszczyzny zawierającej wektor F i wektor I, którego zwrot jest za ekran.

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.

1

Ćwiczenie 1

Rysunek przedstawia sytuację, w której przewodnik umieszczony został między biegunami dwóch magnesów. W przewodniku płynie prąd w stronę wskazaną strzałką. W którą stronę będzie działała siła elektrodynamiczna w tej sytuacji? Zaznacz poprawną odpowiedź.

R1NJ6mZLygE9X

Ilustracja przedstawia dwa magnesy sztabkowe z umieszczonym między nimi przewodnikiem prostoliniowym. Oba magnesy są ułożone tak, że po lewej stronie mają biegun es a po prawej biegun en. Prąd w przewodniku płynie do ekranu.

R3BzeXIAQWUcn

Możliwe odpowiedzi: 1. w dół, 2. w górę, 3. w lewo, 4. w prawo

2

Ćwiczenie 2

Rysunek przedstawia sytuację, w której przewodnik w kształcie ramki został umieszczony między biegunami dwóch magnesów. W przewodniku płynie prąd w stronę wskazaną strzałką. W którą stronę będzie działała siła elektrodynamiczna w sytuacji przedstawionej na rysunku? Zaznacz poprawną odpowiedź:

RxfGJju6C7Ncl

Ilustracja przedstawia dwa magnesy sztabkowe z umieszczonym między nimi przewodnikiem w kształcie ramki. Oba magnesy są ułożone tak, że po lewej stronie mają biegun es a po prawej biegun en. Prąd w przewodniku płynie zgodnie z kierunkiem biegu wskazówek zegara, a wierzchołki ramki są oznaczone kolejno od dolnego lewego a, be, ce, do prawego dolnego de.

RySn4NQFzZaZ7

Możliwe odpowiedzi: 1. na bok $\mathrm{A}\mathrm{B}$ w dół, a na bok $\mathrm{C}\mathrm{D}$ w górę, 2. na bok $\mathrm{A}\mathrm{B}$ w górę, a na bok $\mathrm{C}\mathrm{D}$ w dół, 3. na oba boki w górę, 4. na oba boki w dół

Silnik elektryczny

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

R71yvk0ANJVkE

Ilustracja przedstawia budowę i zasadę działania silnika elektrycznego. Pomiędzy dwoma magnesami sztabkowymi umieszczone zostały ramki przymocowane do szczotek.

Jak widać, końce ramki są teraz przymocowane do dwóch półpierścieni. Do nich z kolei przylegają tzw. szczotki – są to sprężyste blaszki. Do szczotek przyłożone jest napięcie elektryczne. Dwa półpierścienie tworzą tzw. komutator, czyli przełącznik. Ramka wraz z komutatorem tworzy tzw. wirnik, który może obracać się wokół osi $O_1O_2$.

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 przeciwnie do ruchu wskazówek zegara 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 przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. 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 wirnik i magnesy. Stanowią one tzw. stojan. Często zamiast magnesów stałych 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 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.

Ćwiczenie 3

Na ilustracji przedstawiono trzy sytuacje w których w polu magnetycznym umieszczony sztywny przewodnik przez który płynie prąd elektryczny. Wybierz prawidłowe dokończenie zdań.

R14EFCk8pOKNP

Na ilustrację składają się trzy obrazki. Na każdym znajdują się dwa magnesy sztabkowe i umieszczony między nimi przewodnik. Na pierwszym, po lewej stronie pionowego przewodnika magnes es, po prawej magnes en. Prąd w przewodniku płynie do góry. Na drugim, po lewej stronie przewodnika magnes en, po prawej magnes es. Prąd w przewodniku płynie do góry. Na trzecim, na górze znajduje się magnes es, na dole magnes en, a między nimi przewodnik w kształcie ramki, wchodzącej od lewej strony. Prąd w przewodniku płynie zgodnie z kierunkiem biegu wskazówek zegara.

R13Gr21Y2QJL5

Na podstawie ilustracji wybierz prawidłowe dokończenie zdań. $\mathrm{A.}$ Siła

Na podstawie ilustracji wybierz prawidłowe dokończenie zdań. $\mathrm{A.}$ Siła