Mierzymy otaczający nas świat
Email

To się naprawdę kręci! Prosty model silnika elektrycznego


 

Proste modele silnika elektrycznego

 Maria Dobkowska
Zespół Szkół Integracyjnych nr 62
im. Raoula Wallenberga
Warszawa, Polska

  Arvind Gupta
ArvindGuptaToys, Indie

http://www.arvindguptatoys.com/

 

  Ariel Majcher
Instytut Problemów Jądrowych
im. Andrzeja Sołtana
Otwock - Świerk, Polska


  Grzegorz F. Wojewoda
Zespół Szkół Ogólnokształcących nr 4
Bydgoszcz, Polska



Proste modele silnika elektrycznego


Łatwe do wykonania modele silniczka elektrycznego prezentowane były na międzynarodowych festiwalach Physics on Stage i Science on Stage, w których biorą udział nauczyciele i popularyzatorzy fizyki oraz innych nauk przyrodniczych. Różne propozycje mniej lub bardziej skomplikowanych konstrukcji można także znaleźć w internecie. Poniżej przedstawiamy Państwu dwa, nieco zmodyfikowane, modele silniczka, które mogą znacznie uatrakcyjnić lekcje fizyki. Oba modele są łatwe do zbudowania przez każdego ucznia w gimnazjum, a licealistów dzięki tej zabawce mogą Państwo zachęcić do głębszej analizy działających sił.

Silnik elektryczny  Silnik elektryczny 2 
 motor/uzwojenie 07  motor/uzwojenie 11


Instrukcja opisuje jak zbudować silnik ale nie wspomina ani słowem dlaczego on działa. Czekamy na Państwa wyjaśnienia - swoje opinie można publikować na naszym Forum lub przesyłać pocztą elektroniczną w formie plików .doc na adres This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. .
Najciekawsze materiały opublikujemy jako aneks do tej instrukcji!


To się kręci!
Prosty model silnika elektrycznego

 
Program nauczania/Przedmioty:
Gimnazjum:
Podstawa programowa: pole magnetyczne
Temat: działanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem,
zasada działania silnika elektrycznego
Szkoła ponadgimnazjalna - zakres rozszerzony:

Podstawa programowa: polowy opis odziaływań
Rozdział: pole magnetyczne, ruch cząstki naładowanej
w polu magnetycznym
Temat: fizyczne podstawy działania silnika elektycznego
 
 
 



Do zbudowania silniczka potrzebne są następujące materiały:

  • bateria (dowolna: R6, R14 lub R20),
  • nożyczki,
  • okrągły magnes neodymowy; obecnie magnesy neodymowe są naprawdę łatwo dostępne i tanie, radzimy zakupienie do pracowni fizycznej kilkunastu takich magnesów (Allegro!) ponieważ można je wykorzystać podczas wielu ciekawych pokazów i eksperymentów.


ponadto dla silniczka w wersji z obracającym się magnesem:

  • folia aluminiowa (typowa, przeznaczona do użytku w gospodarstwie domowym np. do pieczenia),
  • płaski magnes ferrytowy do przytrzymania folii,
  • wkręt lub gwóźdź. Ważne, aby gwóźdź był stalowy, a nie mosiężny,
  • kolorowy papier.
zestwa elementów potrzebnych do wykonania obrazków
Rys. 1: zestaw narzędzi potrzebnych do wykonania silniczka
            w wersji z obracającym się magnesem



dla silniczka w wersji z obracającą się ramką:

  • pozbawiony izolacji miedziany drut o średnicy od 0,5 do 1 mm,
  • magnes neodymowy.
 elementy do zbudowania silniczka w wersji z obracającą się ramką
 Rys. 2: zestaw elementów potrzebnych do wykonania silniczka
            w wersji z obracającą się ramką



dla silniczka w wersji z obracającąym się uzwojeniem:

  • dwie dość duże agrafki,
  • gumki recepturki, 
  • spory kawałek zaizolowanego drutu miedzianego 0.25 – 0.5 mm,
  • magnes neodymowy.
 motor/uzwojenie 1
  Rys. 3: zestaw elementów potrzebnych do wykonania silniczka w wersji
              z obracającym się uzwojeniem



Wykonanie:

 

  • wersja z obracającym się magnesem (M. Dobkowska, A. Majcher)

Z folii aluminiowej wycinamy wąski pasek o szerokości ok. 3 cm i długości ok. 15 cm. Pasek składamy wzdłuż, by był nieco sztywniejszy.

Z papieru wycinamy wiatraczek, który pozwoli lepiej zauważyć, w którą stronę wiruje magnes. Proponujemy wyciąć z papieru kółko o średnicy ok. 4-5cm, naciąć brzegi wzdłuż promieni kółka i zagiąć brzegi tak, by utworzyły jakby łopatki wirnika. W środku kółka robimy mały otwór i nakładamy wiatraczek na wkręt (lub gwóźdź). Ważne, aby wkręt był stalowy, a nie mosiężny.

Do łebka wkrętu (lub gwoździa) przykładamy okrągły magnes neodymowy, a ostrze przykładamy do jednego z biegunów baterii (np. do „+”) trzymanej pionowo w dłoni lub przymocowanej do statywu. Wkręt utrzymuje się przy biegunie baterii i nie odpada dzięki silnemu oddziaływaniu magnesu.

Do drugiego bieguna baterii ( „-”) dociskamy jeden koniec paska folii aluminiowej, a drugim końcem paska dotykamy ścianki bocznej wiszącego magnesu. Ten koniec paska należy przykładać tak, by ślizgał się jak „szczotka” po ściance magnesu.

Uwaga: płynący przez pasek folii prąd ma dość duże natężenie i folia może się rozgrzać, dlatego proponujemy docisnąć za pomocą małego magnesu ferrytowego (np. takiego jak do tablicy magnetycznej) ten koniec folii, który stale dotyka bieguna baterii.

To już wszystko. Teraz pozostaje nam tylko podziwiać, jak zadowoleni uczniowie obserwują bardzo szybko wirujący (z wkrętem i wiatraczkiem) magnes. Proponujemy, aby uczniowie zbadali, w którą stronę wiruje magnes przy zmianie położenia biegunów baterii (czyli zmianie kierunku płynącego prądu) i biegunów magnesu.

Poniższy obrazek przedstawia zmontowany i opisany silniczek gotowy do uruchomienia:


 opis zmontowanego silniczka w wersji z obracającym się magnesem
 Rys. 4: zmontowany i opisany silniczek w wersji
            z obracającym się magnesem

 

Natomiast klikając tu można zobaczyć film przedstawiający złożenie i uruchomienie silniczka. Prosimy również sprawdzić co się stanie, jeśli odwrócimy baterię.

 

  • wersja z obracającą się ramką (Grzegorz F. Wojewoda)
Za pomocą nożyczek odcinamy kawałek miedzianego drutu o długości około 40cm. Druty miedziane są z reguły pokryte warstwą lakieru pełniącego rolę izolacji. W połowie długości, na odcinku około 8 cm, usuwamy (oczywiście za pomocą nożyczek) izolację. Drut miedziany można „odzyskać” ze zwykłego przewodu elektrycznego:

 

 przygotowanie odpowiedniej ilości drutu
 Rys. 5: przygotowanie odpowiedniej ilości miedzianego drutu

 

Wykonanie ramki rozpoczynamy od zrobienia „pętelki”. Pętelka musi być wykonana z odcina drutu z którego usunęliśmy izolację. Należy przy tym uważać, aby kawałki drutu nie stykały się ze sobą:

 

formowanie pętelki z drutu 
 Rys. 6: formowanie ramki zaczynamy od wykonania pętelki

Następnie wyginamy boki ramki. Rozmiary ramki dobieramy tak, aby druty je tworzące znalazły się około 0,5cm od baterii. Wyginanie ramki kończymy przygotowaniem końcówek drutu do ślizgania się po górnej części baterii. Zbyt długie końcówki drutu należy odciąć, oczywiście za pomocą nożyczek.

 

 dalsze formowanie miedzianej ramki  obcięcie za długiego drutu
 Rys. 7: w pełni uformowana ramka


 

Przygotowaną w ten sposób ramkę mocujemy do baterii z magnesem:


 końcowy etap konstrukcji silniczka
 Rys. 8: końcowy etap składania silniczka


I już możemy podziwiać obracającą się ramkę, czyli działający model silnika elektrycznego (fotografia silnika w ruchu):

 

zdjęcie działającego silniczka 
 Rys. 9: Zdjęcie działąjącego silniczka w wersji z obracającą się
             ramką

 

Klikając tutaj można zobaczyć filmik przedstawiający złożenie i uruchomienie silnika elektrycznego w wersji z obracającą się ramką miedzianą.

Także bawiąc się tym silniczkiem prosimy sprawdzić co się stanie, jeśli obrócimy baterię lub magnes.

 

  • silnik prądu stałego z obracającym się uzwojeniem (A. Gupta)
Budowę silniczka zaczniemy od nawinięcia uzwojenia z drutu miedzianego. Uzwojenie powinno mieć 10 – 15 zwojów. Za wiele zwojów spowoduje że uzwojenie będzie zbyt ciężkie, za mało zwojów pogorszy działanie silnika. Do nawijania można wykorzystać baterię, tak jak na zdjęciu poniżej, lub inną rurkę o podobnej lub trochę mniejszej średnicy. Nawet własny palec!

motor/uzwojenie 1 
Rys. 10: Nawijanie uzwojenia

Końce uzwojenia delikatnie oplatamy i wyprowadzamy na zewnątrz, tak jak na zdjęciu:

 motor/uzwojenie 4
Rys. 11: Zakończenie uzwojenia
 
Teraz trzeba zdrapać izolację z końcówek uzwojenia, ale tylko na połowie obwodu drutu miedzianego, tak jak na zdjęciu! Jeżeli zdejmiemy izolację na całym obwodzie, w czasie ruchu silnika uzwojenie będzie przyspieszane przez siłę Lorentza przez połowę obrotu i hamowane przez drugą połowę, silnik będzie działać nierówno a poza tym będzie się kręcił w obie strony, w zależności od tego, w którą stronę popchniemy uzwojenie na początku. Wyobraźcie sobie tramwaj, który rusza z przystanku do przodu lub do tyłu, w zależności od tego w którą stronę go popchniemy... Silnik elektryczny prądu stałego jest urządzeniem przydatnym w życiu codziennym właśnie dlatego że można sterować kierunkiem obrotu silnika, i taki właśnie silnik budujemy. Uwaga, na obu końcach uzwojenia izolację trzeba zdrapać z tej samej strony!

 

motor/uzwojenie 5 
Rys. 12: Zdejmowanie izolacji


Następnie mocujemy agrafki i magnes za pomocą gumek-recepturek, tak jak na rysunku, wsuwamy końce uzwojenia w „oczka” agrafek i silnik jest gotowy!

 motor/uzwojenie 6
Rys. 13: Montaż silnika. Jeśli bateria ma metalową obudowę,
             gumka przytrzymująca magnes nie jest konieczna.


A oto nasz silnik w działaniu!


Rys. 13: Działający silnik


Jeśli mamy drugi magnes, można zbliżyć go do wirującego uzwojenia i sprawdzić czy silnik przyspiesza czy zwalnia. A może zależy to od orientacji biegunów magnesu?

motor/uzwojenie 8 
Rys. 14: Eksperymenty z silnikiem

 

Życzymy miłej zabawy!