Silnik elektryczny na prąd stały
W tej lekcji1/16
Policz przez chwilę silniki, które dziś słychać wokół Ciebie. Wentylator w laptopie, pompa w lodówce, wibracja telefonu, szyby w aucie, hulajnoga elektryczna sąsiada. Każdy z nich robi dokładnie to samo: bierze prąd z przewodu i oddaje ruch. A w środku siedzi zwykła ramka z drutu między biegunami magnesu — i jedna sprytna część, bez której cała zabawa kończy się po pół obrotu.
Ramka z prądem obraca się w polu magnetycznym
Wiesz już, że na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła elektrodynamiczna, a jej zwrot wskazuje reguła lewej dłoni. Teraz zrobimy z tego coś, co się kręci.
Para sił, która obraca
Na jeden bok ramki działa siła w górę, a na przeciwległy — siła w dół.
Kłopot po pół obrotu
Ramka rusza z miejsca i się obraca. Świetnie — ale tylko przez chwilę. Po pół obrotu boki zamieniają się miejscami: bok, który był z lewej, jest teraz z prawej. Pole się nie zmieniło, prąd w drucie też nie, więc siła, która wcześniej pchała ten bok w górę, dalej pcha go w górę — tyle że teraz jest to już strona przeciwna. Zamiast pomagać, siła zaczyna ramkę cofać.
Efekt: ramka szarpie się w tę i z powrotem i staje. Zero obrotów, zero pożytku.
Komutator, czyli przełącznik na osi
Lekarstwem jest komutator — dzielony pierścień na osi wirnika. To on w odpowiednim momencie odwraca kierunek prądu w ramce, dzięki czemu siły znów pchają obrót do przodu. Wrócimy do niego za chwilę krok po kroku, bo to jest sedno całej lekcji.
Cztery części silnika na prąd stały
Cały silnik na prąd stały ma cztery części:
Po co to wszystko: prąd wchodzi, ruch wychodzi
W prawdziwym silniku zamiast jednej ramki jest kilkadziesiąt zwojów nawiniętych na żelazny rdzeń, a często kilka takich uzwojeń na raz — dzięki temu silnik ciągnie równo, a nie skokami. Zasada zostaje ta sama.
Komutator krok po kroku — jak silnik nie daje się zatrzymać
- 1
Start. Ramka stoi poziomo między biegunami magnesu. Zamykasz obwód: prąd wchodzi przez szczotkę, dalej przez komutator do ramki. W lewym boku prąd płynie ku tobie, w prawym od ciebie. Reguła lewej dłoni: lewy bok w górę, prawy w dół.
- 2
Ćwierć obrotu. Ramka obróciła się o dziewięćdziesiąt stopni i stoi teraz pionowo. Siły wciąż działają, ale ciągną ramkę wzdłuż niej samej i nie obracają jej już wcale. Ramka przelatuje przez to położenie rozpędem, bo się rusza i ma bezwładność.
- 3
Pół obrotu — moment prawdy. Boki zamieniły się miejscami. Gdyby prąd płynął dalej tak samo, siły zaczęłyby ramkę cofać: pchałyby ją z powrotem tam, skąd przyjechała. Silnik zatrzymałby się po jednym półobrocie.
- 4
Wkracza komutator. Pierścień na osi jest przecięty na dwie połówki, każda połączona z innym końcem ramki. Obraca się razem z ramką, a szczotki stoją nieruchomo. Dokładnie w tym momencie każda szczotka zsuwa się z jednej połówki na drugą.
- 5
Prąd w ramce płynie teraz w przeciwną stronę niż przed chwilą. Skoro odwrócił się kierunek prądu, to reguła lewej dłoni daje odwrotne zwroty sił. Bok, który jest teraz z lewej, znów dostaje siłę w górę — a ten z prawej w dół. Obrót toczy się dalej w tę samą stronę.
- 6
I tak w kółko. Co pół obrotu komutator przerzuca prąd i siły znowu pchają wirnik do przodu. Silnik na prąd stały kręci się bez końca, choć bateria przez cały czas daje prąd w jedną stronę.
Wszystkie 6 kroków odsłonięte.
Silnik zabawki kręci się zgodnie ze wskazówkami zegara. Wyjmujesz magnes i wkładasz go odwrotnie, tak że biegun jest tam, gdzie był . Prąd i komutator zostają bez zmian. W którą stronę zakręci się teraz wirnik?
Pułapka! Ramka nie kręci się sama z tego, że płynie prąd
Najczęstsze wyobrażenie o silniku brzmi mniej więcej tak: skoro na ramkę w polu magnetycznym działają siły, to wystarczy puścić prąd i ona już będzie się kręcić w kółko. Nie będzie. Sam prąd daje pół obrotu i koniec.
Dlaczego sam prąd nie wystarcza
Powód siedzi w tym, co się NIE zmienia: pole magnesu jest stałe, a prąd z baterii płynie cały czas w tę samą stronę. Zmienia się tylko położenie boków ramki — i dlatego po pół obrotu to samo pchnięcie w górę kręci ramką w odwrotną stronę niż przed chwilą.
Ramka staje nie z braku prądu
Ramka nie zatrzymuje się więc z braku prądu, tylko dlatego, że te same siły zaczynają działać przeciw obrotowi.
Dlatego komutator to nie dodatek dla wygody, tylko warunek działania silnika na prąd stały.
Druga pomyłka: silnik to nie prądnica
Druga pomyłka z tej samej rodziny to mylenie silnika z prądnicą. Obie maszyny wyglądają podobnie — ramka, magnes, komutator — ale robią rzeczy przeciwne:
Gdzie kręcą się silniki wokół ciebie
- 1
Wentylator w laptopie i suszarka do włosów. Mały silniczek na kilka watów, wirnik na jednej osi ze śmigłem. Zwiększasz napięcie, rośnie prąd w uzwojeniu, rosną siły — i wentylator kręci się szybciej. Dokładnie to słyszysz, gdy laptop nagle zaczyna szumieć.
- 2
Wiertarka. Ten sam pomysł, tylko mocniej: silnik na kilkaset watów, uzwojenie na żelaznym rdzeniu, przekładnia zamieniająca szybki obrót na wolniejszy, ale mocniejszy. Naciskasz spust, przez wirnik płynie większy prąd i wiertło ma z czego ciągnąć.
- 3
Pralka. Bęben napędza silnik, który musi umieć obracać się raz w jedną, raz w drugą stronę, żeby pranie się nie zbijało. Odwrócenie kierunku obrotu to po prostu odwrócenie kierunku prądu w uzwojeniu wirnika.
- 4
Napęd szyb w samochodzie. Naciskasz przycisk w dół, silniczek kręci się w jedną stronę i szyba jedzie w dół. Naciskasz w górę, sterownik podaje prąd odwrotnie i szyba wraca. Ten sam silnik, dwa kierunki.
- 5
Hulajnoga elektryczna i samochód elektryczny. Silnik siedzi w piaście koła albo przy osi i zamienia energię z akumulatora na ruch pojazdu. Przy hamowaniu ten sam silnik potrafi pracować jak prądnica i oddawać część energii z powrotem do akumulatora.
Wszystkie 5 kroków odsłonięte.
Zbudowany silniczek kręci się równo. Wyjmujesz z niego komutator i zamiast dzielonego pierścienia lutujesz końce ramki na stałe do przewodów od baterii. Reszta bez zmian: ten sam magnes, ta sama bateria, ta sama ramka. Czy taki silnik będzie się kręcił bez końca?
Ściąga do zapamiętania
Co obraca ramkę w silniku elektrycznym i po co mu komutator?
W ramce umieszczonej w polu magnetycznym prąd płynie w przeciwległych bokach w przeciwne strony, więc siły elektrodynamiczne na tych bokach mają przeciwne zwroty — powstaje para sił, która obraca ramkę.
• Po pół obrotu boki zamieniają się miejscami i te same siły zaczęłyby ramkę cofać. Bez komutatora silnik stanąłby po półobrocie.
• Komutator to dzielony pierścień na osi wirnika: co pół obrotu odwraca kierunek prądu w ramce, więc siły dalej pchają obrót w tę samą stronę. Prąd doprowadzają nieruchome szczotki.
• Pułapka: sam płynący prąd niczego nie kręci — ramka musi znaleźć się w polu magnetycznym.
• Silnik zamienia energię elektryczną na mechaniczną; prądnica robi dokładnie odwrotnie.
• Kierunek obrotu zmienia odwrócenie biegunów magnesu albo biegunów baterii; odwrócenie obu naraz nie zmienia nic.
• Silniki wokół ciebie: wentylator, wiertarka, pralka, napęd szyb, hulajnoga, samochód elektryczny.
Sprawdź się!
Odpowiedziano na 0 z 5 pytańSkróty klawiszowe quizu: klawisze od 1 do 4 wybierają odpowiedź, Enter sprawdza, a po sprawdzeniu przechodzi do następnego pytania. Każdy przycisk możesz też wybrać Tabem i Spacją.
Po co w silniku na prąd stały jest komutator?
Ramka z prądem wisi między biegunami magnesu, ale ktoś zamiast komutatora podłączył jej końce na stałe do baterii. Co się stanie po zamknięciu obwodu?
Jakiej zamiany energii dokonuje silnik elektryczny?
Czym różni się silnik od prądnicy?
Silnik kręci się zgodnie ze wskazówkami zegara. Odwracasz jednocześnie bieguny baterii i bieguny magnesu. Co się stanie z kierunkiem obrotu?