Вараксина Е., Майер Проф. В. | Навчальні уніполярні електродвигуни | Журнал «Фізика» № 15 за 2009 рік

1. експеримент Е. І. Вараксина, ГДПІІМ ім. В.Г.Короленка, м Глазов, Удмуртія респ .; Проф. В....

експеримент

Е. І. Вараксина,
ГДПІІМ ім. В.Г.Короленка, м Глазов, Удмуртія респ .;
Проф. В. В. Майер,
, ГДПІІМ ім. В.Г.Короленка, м Глазов, Удмуртія Респ.

Пропонуються навчальні експериментальні дослідження уніполярних електродвигунів. Докладно описані конструкції приладів і технології їх виготовлення. Увага читача звертається на багатющу інформацію про моделі уніполярних двигунів в інтернеті. Стаття написана так, що її можна безпосередньо рекомендувати учням для вивчення і подальшого планування дослідницького проекту. При необхідності вчитель може давати школярам окремі завдання, використовуючи для їх формулювання відповідні фрагменти статті.

У школі вивчають колекторний електродвигун постійного струму. Він складається з нерухомого статора, ротора і колектора, що забезпечує харчування двигуна електричним струмом. Як статора використовують двополюсний постійний магніт або електромагніт. Ротор являє собою електромагніт, струм на який подається через півкільця і ​​щітки, що утворюють колектор. Однак перший електродвигун, створений в 1821 р великим Фарадеєм, був уніполярним: в ньому використовувався тільки один полюс магніту, колектор взагалі був відсутній. Експериментальним дослідженням уніполярних електродвигунів і присвячена ця стаття.

1. Уніполярний електродвигун

Мал. 1. Демонстраційний уніполярний електродвигун

Відомо чимало різних конструкцій уніполярних електродвигунів. Один з приладів, що застосовувалися для демонстрації принципу дії униполярного електродвигуна, зображений на рис. 1. У ньому навколо північного полюса постійного магніту 1 обертається дротова рамка 2. Середина рамки з'єднана з вістрям, які заглиблені в чашечку з ртуттю 3, кінці рамки опущені в кільцевої посудину з ртуттю 4.

Електричний струм від правої клеми проходить через центральну металеву стійку, ртутний контакт 3, гілки рамки 2, кільцевої посудину з ртуттю 4 і бічну металеву стійку до лівої клеми. Скориставшись правилом лівої руки, неважко збагнути, що для зазначених на малюнку положення північного магнітного полюса і напрямку струму на рамку діє пара сил, що змушує її обертатися в напрямку, показаному стрілками.

2. Обговорення конструкції униполярного двигуна

Розглянуту модель униполярного двигуна в даний час не можна використовувати для відтворення в школі або вдома. Справа не тільки в тому, що вона конструктивно складна. Головна причина в тому, що пари ртуті отруйні, тому застосування ртуті в навчальних дослідах неприйнятно.

Ртуть в описаних приладах виконує дві функції. По-перше, маючи гарну провідність, ртуть забезпечує надійний електричний контакт з невеликим електричним опором між рухомими і нерухомими провідниками. По-друге, будучи при кімнатній температурі рідиною, створює порівняно невелике механічне опір рухається в ній провідникам.

Звідси випливає, що для створення придатного для навчальних дослідів приладу потрібно вирішити проблему хорошого контакту і малого опору між рухомими провідниками.

Відразу спадає на думку ідея використовувати в кільцевому посудині замість ртуті доступний електроліт, наприклад, водний розчин мідного купоросу. А як бути з ртутним контактом 3? Потрібно, щоб сила тертя, що виникає при обертанні рамки на вістрі, була мала, а контакт проте був надійним.

Неважко здогадатися, що цим суперечливим вимогам може задовольнити магнітний контакт, що складається з постійного сталевого магніту і прімагніченного до його полюсу сталевого вістря.

3. Навчальна модель униполярного двигуна

Мал. 2. Основні елементи навчальної моделі униполярного двигуна

Для виготовлення навчальної моделі униполярного двигуна доведеться трохи попрацювати. Всі елементи, необхідні для складання моделі і виконання експериментального дослідження, зображені на рис. 2.

З мідного дроту діаметром близько 1 мм зігніть П-образну рамку розміром приблизно 80 × 200 мм. Середину рамки і кінці мідного дроту очистіть від ізоляції. Від сталевого цвяха діаметром 3-4 мм відріжте шматок завдовжки 2-3 см і добре загострити один його кінець. Одержаний сталевий сердечник припаяйте до середини рамки з мідного дроту і підвісьте його до полюса затиснутого в штативної лапці сталевого смугового або подковообразного магніту. До іншого полюсу магніту прімагнітьте сталеву шайбу з прикрученим до неї багатожильним мідним дротом в поліхлорвінілової ізоляції. Штовхніть рамку, і ви побачите, як легко вона коливається і крутиться на магнітному підвісі.

Підберіть круглий пластиковий посуд діаметром приблизно 110 мм і глибиною 40 мм. У центрі дна посудини зробіть круглий отвір і за допомогою гумового колечка герметично закріпіть в ньому мідний електрод діаметром 4-6 мм. Замість мідного можна використовувати вугільний електрод, в якості якого підійде анод одного з елементів батареї кишенькового ліхтаря. З частиною електрода, яка виступає з дна посудини вниз, з'єднайте багатожильний мідний провід в ізоляції. Посудина встановіть на кільцевій керамічний магніт діаметром 80 мм від старого динаміка.

Стаття підготовлена ​​за підтримки салону весільної та вечірньої моди «моя Леді». Якщо Ви вирішили придбати якісний і надійний костюм або плаття, то оптимальним рішенням стане звернутися в салон «моя Леді». На сайті, розташованому за адресою www.salonmylady.ru, ви зможете, не відходячи від екрану монітора, замовити офісні сукні та костюми за вигідною ціною. Більш детальну інформацію про ціни і акціях діючих на даний момент ви зможете знайти на сайті www.salonmylady.ru.

Мал. 3. Навчальна модель униполярного двигуна в роботі

З пінопласту або іншого матеріалу малої щільності зробіть диск з отвором в центрі так, щоб він міг вільно плавати на поверхні рідини навколо вугільного електрода. Візьміть також дві батарейки кишенькового ліхтаря на 4,5 В і з'єднайте їх послідовно. У склянці води приготуйте насичений розчин мідного купоросу. Тепер все готово для експерименту.

У стоїть на магніті пластиковий посуд налийте розчин мідного купоросу. Над посудиною в магнітному тримачі підвісьте дротяну рамку так, щоб її оголені кінці занурилися в електроліт. Провід, що йдуть від магнітного утримувача і від вугільного електрода, з'єднайте з полюсами однієї батарейки так, щоб на прилад було подано напругу 4,5 В. Якщо все зроблено правильно, ви побачите, що рамка починає повільно обертатися навколо своєї осі!

Збільште напругу - рамка почне крутитися значно швидше. Зрозуміло, що якщо у вас під руками є джерело, що дає більшу напругу, ви можете ще збільшити швидкість обертання ротора свого униполярного двигуна. Змініть полярність напруги - і рамка почне крутитися в протилежну сторону.

Подивіться в посудину з рідиною: ви бачите, що електроліт також обертається, але в сторону, протилежну обертанню рамки. Щоб краще продемонструвати це явище, помістіть на поверхню електроліту плаваючий диск: він буде крутитися в одну сторону, а рамка - в протилежну (рис. 3)!

4. Сучасні постійні магніти

Успіх побудованої вами моделі униполярного електродвигуна в значній мірі забезпечений потужним магнітним полем, створюваним кільцевих керамічним магнітом. Основою цього магніту є ферит - керамічний феромагнітний матеріал, який отримав широке поширення близько півстоліття тому.

Мал. 4. Зовнішній вигляд неодімових магнітів

Однак за минулі після створення феритових магнітів десятиліття техніка зробила крок далеко вперед. Сучасні неодимові магніти, які виготовляються зі сплаву рідкісноземельного металу неодиму c залізом і бором (NdFeB), не йдуть ні в яке порівняння з керамічними. Вони мають величезну залишкової магнітної індукції і досить значною коерцитивної силою. Крім того, поверхні цих магнітів покриті захисним проводять шаром. Сфера застосування неодімових магнітів такою великою, що легше вказати ті області, в яких ці магніти поки не використовуються.

Неодимові магніти невеликих розмірів (рис. 4) цілком доступні за ціною, і немає нічого простішого, як придбати їх в інтернет-магазині. Будемо вважати, що у вашому розпорядженні є кілька неодімових магнітів з поздовжньою поляризацією у вигляді нікельованих дисків або шайб діаметром 8-19 мм і товщиною 2-8 мм. Про всяк випадок нагадаємо, що невеликі неодимові магніти циліндричної форми можна отримати з поламаних мініатюрних динаміків, телефонів та іншої електронної техніки.

5. Сучасні моделі униполярного двигуна

Тепер приступимо до створення неодимового аналога двигунів, зображених на рис. 1, 3.

Мал. 5. Уніполярний двигун з неодимовими магнітами: а - верхній контакт відсутній, тому що на катоді елемента лежить ізолююча прокладка; б - прокладка прибрана, двигун працює

До позитивного полюса гальванічного елемента 1 прімагнітьте один або кілька неодімових магнітів 2 (рис. 5, a). З мідного дроту діаметром близько 1 мм зігніть рамку 3, форма якої зрозуміла з фотографії. Очистіть від ізоляції середину і кінці рамки. Встановіть середину рамки на негативний полюс елемента так, щоб її кінці злегка стосувалися бічній поверхні магніту. Як тільки вам вдасться урівноважити рамку і забезпечити такий електричний контакт, що по ній піде струм, рамка почне обертатися навколо осі гальванічного елемента (рис. 5, б)!

Щоб обертання було помітно здалеку, до рамки можна приклеїти смужки різнокольорового ізоляційної стрічки.

6. Вражаюча демонстрація униполярного двигуна

Розмірковуючи про уніполярному двигуні, ми прийшли до висновку, що було б цікаво розробити таку конструкцію, яка забезпечує обертання масивного ротора. Але такий ротор потрібно ще зробити. А що, якщо замість металевого ротора використовувати масивні гальванічні елементи?

Мал. 6. Демонстраційний уніполярний двигун з масивним ротором

На рис. 6, а показано, до чого привели думки про потужний уніполярному двигуні. Демонстраційну модель униполярного двигуна зберіть так. У муфті універсального штатива горизонтально закріпіть сталевий нікельований стрижень 1 і до нього через сталева кулька 2 діаметром 8 мм від підшипника підвісьте неодимовий магніт 3 діаметром 10 мм і товщиною 2 мм. До магніту приєднайте анод гальванічного елемента 4 на 1,5 В. До першого гальванічного елемента за допомогою такого ж неодимового магніту 5 приєднайте другий елемент 6 так, щоб обидва елементи були включені послідовно. На катод другого елементу навісьте 2-3 неодімових магніту 7 діаметром 19 мм і товщиною 6 мм. За допомогою сталевої шайби на магнітах закріпіть вигнуту з товстого паперу П-образну смужку 8, що служить індикатором обертання. На стрижні 1 ізолентою закріпіть оголений кінець багатожильного дроти 9 в поліхлорвінілової ізоляції, скрученого в спіраль для додання йому пружних властивостей.

Другий оголений кінець багатожильного дроти приведіть в зіткнення з бічною поверхнею неодімових магнітів, висять на останньому елементі. При цьому батарея з послідовно з'єднаних елементів приходить в швидке обертання навколо своєї осі (рис. 6, б)!

На глядачів досвід справляє сильне враження, оскільки, на перший погляд, відсутня причина, що змушує масивну батарею обертатися настільки енергійно. Замість двох елементів в досвіді можна використовувати один, три або чотири послідовно з'єднаних неодимовими магнітами гальванічних елементів.

На закінчення зазначимо, що немає фізичних явищ, які не знайшли б практичного застосування. З найбільш загальних міркувань вам повинно бути ясно, що уніполярний електродвигун може служити і електрогенератором. У виробництвах, для яких потрібні струми силою в сотні тисяч і навіть мільйони ампер використовують уніполярні генератори, подібні тим машинам, з якими ви мали справу. Але подробиці наступного разу.

7. Для самостійного дослідження

1. Магніти і магнітне поле. Які бувають магніти і як їх виготовляють? Що таке залишкова магнітна індукція? Що розуміють під коерцитивної силою? Чому дорівнює магнітна енергія? Відповіді на ці та багато інших питань ви знайдете на сайті www.valtar.ru/ , Де дуже цікаво і цілком доступно розказано про сучасних магнітах і магнітному полі.

2. Неодимові магніти. Дізнатися, які неодимові магніти є в продажу, ви зможете на сайті www.magnitos.ru.

3. Уніполярні двигуни. На сайті www.youtube.com/results?search_query=homopolar+motor&search=Search є відеоінформація про численні моделях униполярного двигуна, побудованих зарубіжними вченими-фізиками і любителями фізики. З цими моделями корисно познайомитися, якщо ви хочете придумати що-небудь новеньке.

4. Напрями обертання елементів униполярного двигуна. Користуючись правилом лівої руки, визначте напрямки сили Лоренца, що діє на позитивні і негативні іони електроліту, рис. 3. Визначте напрямок сили Лоренца, що діє на електрони, що переміщаються в дротяної рамці. Зіставте отримані висновки з результатами експерименту.

5. Сила Ампера. Припустимо, що залишкова магнітна індукція вашого неодимового магніту 1,2 Тл, його діаметр 19 мм, сила струму, що проходить по поверхні магніту, 1 А. Оцініть модуль сили, що приводить в обертання ротор униполярного двигуна, рис. 6.

Далі буде