PRĄDNICA - SILNIK Model rozbierany (V 5 103) Rys. 1 Model słuŝy do pokazania budowy prądnicy i silnika na prąd stały oraz wyjaśnienia zasad ich działania. Odpowiednio do swego przeznaczenia ma on taką konstrukcję, Ŝe wszystkie części składowe są dobrze widoczne. Model moŝna rozebrać i pokazać budowę poszczególnych części. Zasadniczymi częściami modelu są: nieruchomy stojan i wirujący twornik. Stojan ma magneśnicę (1), na której rdzeniach są nawinięte szpule (2). KaŜda szpula ma 200 zwojów drutu Ø 0,5 mm. Twornik (3) ma pięć pasm (4), kaŝde po 50 zwojów drutu Ø 0,5 mm. Przepływ prądu przez uzwojenia twornika odbywa się za pośrednictwem 5-sektorowego kolektora (5) osadzonego na jednej osi z twornikiem. Z kolektorem stykają się 2 szczotki (6) umocowane na kołkach (7). Kołki są połączone przewodami z zaciskami S umieszczonymi na podstawie (8). Prąd do uzwojeń magneśnicy doprowadzamy przewodami połączonymi z zaciskami M. Przyrząd moŝna napędzać za pomocą korbki (9) umocowanej na kole napędowym (10), połączonym pasem (11) z twornikiem. W skład wyposaŝenia przyrządu wchodzi kilkudziesięciozwojowa cewka-wirnik nawinięta izolowanym drutem miedzianym Ø 0,5 mm; dodaje się równieŝ 2 zapasowe szczotki i 2 nakrętki radełkowane. Konstrukcje prądnic i silników prądu stałego są bardzo podobne. Te wspólne cechy konstrukcyjne zostały wykorzystane w modelu, który przystosowano do wytwarzania prądu stałego i do pracy jako silnik. - 1
Model jako prądnica prądu stałego Rys. 2 Rys. 2 przedstawia schematycznie konstrukcję kolektora i umieszczenie szczotek. Szczotki ślizgają się podczas wirowania twornika po częściach (sektorach) kolektora. Z tych szczotek za pośrednictwem zacisków S odbieramy prąd, zwany popularnie stałym. Na tym samym rysunku są widoczne płaskie szpule na rdzeniach magneśnicy. Szpule mają po 200 zwojów drutu Ø 0,5 mm. Do uzwojeń doprowadzamy stały prąd za pośrednictwem zacisków M. Szpule na rdzeniach spełniają rolę elektromagnesów. Rys. 3. Rys. 4. - 2
Rys. 5. Rys. 6. Na rysunkach 3, 4, 5 i 6 są podane rozpływy indukowanych prądów dla takich połoŝeń wirnika, przy których prąd płynący w uzwojeniu I przybiera extremalne wartości. Prądy indukowane w uzwojeniach płyną od lewej szczotki, opartej na pasku kolektora, oznaczonej znakiem +, do prawej szczotki oznaczonej znakiem -. Poszczególne uzwojenia wirnika moŝna przyjąć w przybliŝeniu za płaskie wirujące ramki w polu magnetycznym. Pole magnetyczne wytwarzają dwa elektromagnesy umieszczone po bokach wirnika. Elektromagnesy naleŝy podłączyć za pomocą zacisków M ze źródłem prądu stałego niskiego napięcia. Rys. 7-3
Na 4 górnych wykresach (rys. 7) są pokazane zmiany prądów w czasie - dla poszczególnych uzwojeń wirnika odpowiadające połoŝeniom A, B, C, D - przedstawionym na rys. 3, 4, 5 i 6. Wykres dolny (ostatni) przedstawia sumaryczny indukowany prąd elektryczny. Prąd sumaryczny moŝemy przyjąć za stały. (W rzeczywistości ze względu na małą liczbę uzwojeń występują niewielkie pulsacje natęŝeń). Siła elektromotoryczna, powstająca w płaskiej ramce, obejmującej pole Q i wirującej ze stałą prędkością kątową ω w polu magnetycznym o natęŝeniu H wyraŝa się wzorem: E = QH ω sin ф gdzie ф oznacza kąt między płaszczyzną ramki a płaszczyzną prostopadłą do linii magnetycznych. PoniewaŜ kąt ф w czasie jednego obrotu zmienia się od 0 do 360, więc i siła elektromotoryczna zmienia się równieŝ. odpowiednio do wartości sin ф. Jest ona 0, gdy płaszczyzna ramki jest prostopadła do linii magnetycznych, osiąga maksimum, gdy płaszczyzna ramki jest równoległa do linii magnetycznych.. Iloczyn QH podaje strumień magnetyczny objęty obwodem ramki w chwili, gdy płaszczyzna ramki jest prostopadła do linii magnetycznych, jest to więc maksimum strumienia. JeŜeli ramka składa się z Z zwojów, to siła elektromotoryczna w niej w danej chwili: E = ZQH ω sin ф JeŜeli Q wyrazimy w cm², H w oerstedach, ω w 1/sek, to E otrzymamy w jednostkach elektromagnetycznych układu CGS. Chcąc mieć wartość siły elektromotorycznej w woltach, naleŝy wynik pomnoŝyć przez 10 8. Ostatecznie mamy wzór: E(v) = 10-8 * Z* Q (cm²)*h(oe)* ω(1/sek)* sin ф Za pomocą modelu prądnicy moŝna pokazać zaleŝność siły elektromotorycznej od strumienia magnetycznego i liczby obrotów w jednostce czasu. ZaleŜność siły elektromotorycznej od wielkości strumienia magnetycznego ZaleŜność siły elektromotorycznej od wielkości strumienia magnetycznego przy zachowaniu tej samej prędkości kątowej oraz liczby zwojów moŝna pokazać w następujący sposób: do szczotek prądnicy (zaciski S) przyłączamy woltomierz o zakresie pomiarowym 5 V, do zacisków M włączamy źródło słabego prądu stałego o regulowanym natęŝeniu. Twornik prądnicy wprawiamy za pomocą korby w szybki ruch obrotowy, wówczas woltomierz wskaŝe nam pewną siłę elektromotoryczną. Następnie powiększamy natęŝenie prądu płynącego przez uzwojenia elektromagnesu. Woltomierz wskaŝe nam większą siłę elektromotoryczną na skutek zwiększenia strumienia magnetycznego. ZaleŜność siły elektromotorycznej od prędkości kątowej, a więc od liczby obrotów w sekundzie Przyłączamy do prądnicy woltomierz i źródło prądu stałego jak w poprzednim doświadczeniu. Za pomocą korby wprawiamy twornik w ruch obrotowy - od najwolniejszych - 4
obrotów do moŝliwie najszybszych. W miarę wzrostu liczby obrotów twornika będzie wzrastała siła elektromotoryczna. Ponadto za pomocą modelu prądnicy moŝna pokazać generację prądu stałego. Do szczotek prądnicy za pośrednictwem zacisków S przyłączamy galwanoskop pionowy z zerem w środku skali. Obracając twornik bardzo wolno zauwaŝymy, Ŝe wskazówka przyrządu wychyla się tylko w jedną stronę od zera. Jest to dowodem, Ŝe prąd płynie zawsze w jednym kierunku, co jest cechą charakterystyczną prądu stałego. Niewielki prąd jest indukowany skutkiem oddziaływania pola magnetycznego wytworzonego przez magnetyzm szczątkowy elektromagnesu. W doświadczeniu powyŝszym nie naleŝy przepuszczać prądu (wzbudzającego) przez cewki elektromagnesu, gdyŝ indukowana siła elektromotoryczna jest zbyt duŝa i spowoduje nadmierne wychylenie się wskazówki galwanoskopu. JuŜ przy niewielkim wzbudzeniu moŝna uzyskać, szybko obracając korbą, siłę elektromotoryczną prądu rzędu 3-3,5 V. Moc, jaką moŝna uzyskać w tych warunkach, wynosi około 1 W i prądnica moŝe zasilać Ŝarówkę od latarki kieszonkowej. Powiększając prąd wzbudzający w uzwojeniach elektromagnesu, uzyskujemy szybki wzrost siły elektromotorycznej prądu wzbudzonego. ZaleŜność siły elektromotorycznej od liczby zwojów i pola ramek nie da się pokazać, gdyŝ wielkości tych w modelu nie moŝna zmienić Zastosowanie modelu jako silnika elektrycznego na prąd stały Za pomocą modelu moŝemy takŝe demonstrować działanie silnika elektrycznego. Silnik moŝe pracować jako bocznikowy i jako szeregowy. W silniku bocznikowym uzwojenie wirnika jest równoległe do uzwojenia magneśnicy, w silniku szeregowym uzwojenia wirnika i magneśnicy są złączone szeregowo. Rozpływ prądów jest analogiczny do rozpływu prądów przy pracy urządzenia jako prądnicy (rys. 3, 4, 5, 6). Schematy połączeń silnika bocznikowego i szeregowego są przedstawione na rys. 8 i 9. Rys. 8. Rys. 9. Aby model pracował jako silnik bocznikowy (rys. 8), naleŝy jeden zacisk M połączyć z zaciskiem S, drugi zacisk M z drugim zaciskiem S, a następnie zaciski M i S połączyć z zasilaczem prądu stałego i zmiennego. Stosujemy prąd stały o napięciu 6-8 V. (Sposób posługiwania się zasilaczem jest podany w instrukcji do przyrządu). JeŜeli szkoła nie dysponuje zasilaczem, do zacisków M i S - przyłączamy 6-woltową baterię akumulatorów i regulowaną opornicę 12 Ω 6,2 A (Katalog Pomocy Naukowych, str. 108). Opornica jest tu - 5
rozrusznikiem. Jako silnik szeregowy (rys. 9) model pracuje wówczas, gdy którykolwiek zacisk M połączony jest z zaciskiem S, a do pozostałych zacisków M i S przyłączamy napięcie 24- : 30 V. Jako źródło prądu o regulowanym napięciu moŝemy stosować, podobnie jak poprzednio, zasilacz lub baterię akumulatorów i opornicę Model silnika moŝe być równieŝ zasilany prądem z prostownika przyłączonego do sieci prądu zmiennego. NaleŜy jednak zwracać uwagę by napięcie na biegunach prostownika było odpowiednie dla danego rodzaju połączenia silnika. W modelu silnika, podobnie jak w silniku rzeczywistym, jest urządzenie do obracania szczotek o pewien kąt. Ma to na celu znalezienie takiego ich połoŝenia, przy którym iskrzenie szczotek jest najmniejsze a silnik działa najsprawniej. Aby zmienić kierunek obrotów silnika, naleŝy zmienić kierunek prądu w magneśnicy, nie zmieniając kierunku prądu w rotorze. W tym celu trzeba w silniku bocznikowym połączyć S 1 z M 2 a S 2 z M 1, zaś w silniku szeregowym S 2 z M 1. Model chronić przed kurzem i wilgocią. ŁoŜyska smarować od czasu do czasu rzadkim olejem mineralnym. BIOFIZ ZJEDNOCZENIE PRZEMYSŁU POMOCY NAUKOWYCH I ZAOPATRZENIA SZKÓŁ WARSZAWA Przyrząd wraz z instrukcją został zatwierdzony przez Ministerstwo Oświaty pismem nr P4-3874/62 z dnia 25.10.1962 roku do uŝytku szkolnego. Nr katalogo wy: V 5-103 Produkowano: Fabryka Pomocy Nauko wych w Warszawie-Włochach Źródło: ze zbiorów Pracowni Dydaktyki Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Szczecińskiego - 6