3. Działanie silnika prądu stałego

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? Jeżeli chcesz poznać odpowiedź na to pytanie, czytaj dalej.

RRDUEvF11tPSm

Ilustracja przedstawia model przekroju urządzenia stojącego na białym blacie stołu. W tle ściana i otwarte drzwi. Urządzenie to bryła w kształcie poziomego walca przytwierdzonego śrubami do blatu stołu. Bryła nie ma gładkich ścian, w przekroju poprzecznym widoczne wystające prostokątne blaszki. Wewnątrz metalowy wał, na którym nasadzony jest metalowy walec z blaszkowatymi podstawami, dwa pierścienie w pewnych odległościach od walca oraz czerwony wiatrak z lewej strony w kształcie blaszek na kole. Widać pokrywę wiatraka jako szarą metalową ściankę z otworami.

Omówienie tych zagadnień znajdziesz w materiałach:

• Oddziaływania magnetyczne;

• Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie.

Siła elektrodynamiczna

RTi3zgLyLx6H8

2. Zamknij obwód i obserwuj odcinek przewodu znajdującego się pomiędzy biegunami magnesu. 3. Zmień kierunek płynącego prądu, i ponownie obserwuj odcinek przewodu znajdujący się między biegunami magnesu. 4. Odwróć magnes tak, aby biegun północny (N) znalazł się na dole, a południowy (S) – na górze. Powtórz obserwacje dla dwóch kierunków przepływu prądu.

Rysunek przedstawia obwód elektryczny składający się z baterii i włącznika. Tło białe. Włącznik ustawiony jest w pozycji otwartej. Od baterii odchodzą falowane linie pionowe Jeden z fragmentów obwodu przechodzi pomiędzy biegunami magnes spięte prostopadłym do nich odcinkiem. Odcinek ten znajduje się między ramionami magnesu podkowiastego, który spoczywa na podłożu jednym ramieniem. Biegun południowy znajduje się pod odcinkiem, a północny nad odcinkiem.

Podczas przepływu prądu pojawiała się siła, która albo wypychała 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.

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:

RORxfTHBkH37X

Ilustracja trzy wektory. Dwa z nich są czarne, prostopadłe do siebie, jeden zwrócony pionowo do góry, drugi poziomo w prawo. Poziomy wektor podpisano jako I, pionowy jako siła duża litera F. Wektory są połączone początkami. Narysowany jest też trzeci wektor, czerwony, prostopadły do płaszczyzny zawierającej wektor F i wektor I, którego zwrot jest za ekran i podpisany: kierunek pola myślnik duża litera N do duża litera S..

Z tej reguły wynika, że siła elektrodynamiczna jest prostopadła zarówno do przewodnika, jak i do linii pola magnetycznego przebiegających od bieguna północnego do południowego. Tę 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

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.

Ru0WNoXLNyZpY

Ilustracja przedstawia dwa magnesy sztabkowe z umieszczonym między nimi przewodnikiem prostoliniowym. Oba magnesy w kształcie prostopadłościanów są ułożone tak, że każdy z nich ma po lewej stronie biegun niebieski en, a po prawej biegun czerwony es. Między biegunami znajduje się linia z grotem w środku w stronę czytelnika.

R3BzeXIAQWUcn

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

Ćwiczenie 2

Rmj5hv07aZiqg

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.

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:

R154I3G5B6lVa

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 $2$.

R1Yh64gmToXxG

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 jest  sztywny przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny. Wybierz prawidłowe dokończenie zdań.

Rg4Ncv6erqPE9

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