Silniki elektryczne o niezbyt dużej mocy oraz proste prądnice często opierają się na podstawowej zasadzie obracających się, w polu magnetycznym magnesu stałego, elektromagnesów (jednego lub kilku) Zadanie Zbadaj zachowanie modelu silnika z magnesem trwałym Materiały 1 Cobra4 Wireless Manager 12600.00 1 Cobra4 Wireless-Link 12601.00 1 Czujnik Cobra4 Elektryczność, ± 6 A, ± 30 V 12644.00 1 Moduł łącza prostego, SB 05601.01 1 Moduł łącza kątowego, SB 05601.02 1 Moduł złącza w kształcie litery T, SB 05601.03 2 Moduł przerwy w obwodzie, SB 05601.04 2 Moduł łączenia, SB 05601.10 2 Moduł łącznika kątowego z gniazdem, SB 05601.12 1 Moduł włącznika, SB 05602.01 1 Moduł przełącznika, SB 05602.02 1 Moduł gniazdo żarówki E10, SB 05604.00 1 Model silnika do doświadczeń uczniowskich 07850.10 2 Przewód 250 mm, 32A, czerwony 07360.01 2 Przewód 250 mm, 32A, niebieski 07360.04 2 Przewód 500 mm, czerwony 07361.01 2 Przewód 500 mm, niebieski 07361.04 1 Żarówki 1,5 V/0,15 A, E10, 10 sztuk 06150.03 1 Zasilacz 0-12 V DC/6V AC 13505.93 1 Oprogramowanie Cobra4 licencja szkolna 14550.61 Dodatkowe materiały 1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia 1
Wyjaśnienia Ruchomą częścią silnika (która może się obracać) nazywamy wirnikiem, a część statyczna to stojan. Wirnik posiada żelazny (stalowy) rdzeń, na nim nawinięta jest gęsta zwojnica, zwana twornikiem, całość działa jak elektromagnes. Rdzeń, aby uniknąć prądów wirowych, często jest płaszczowy i przeważnie posiada trzy lub więcej uzwojeń twornika. Stojan generuje pole magnetyczne dla wirnika i zbudowany jest z magnesu trwałego lub elektromagnesu. Tarczowe styki wirnika z kontaktami ślizgowymi (często zwanymi szczotkami) nazywamy komutatorem, od łacińskiego commutare (wymiana). Podczas obrotu wirnika komutator zawsze przełącza uzwojenia twornika tak, aby jego elektromagnes wirnika doświadczał Rys. 2: Schematy układów momentu siły w polu stojana. Aby zilustrować swoje działanie, silnik, który tutaj zbadamy, posiada tylko jedno uzwojenie twornika. Rdzenie żelazne są tak cienkie, że nie muszą być płaszczowe. Podczas obracania się silnika, komutator zmienia kierunek prądu w cewce tak, aby bieguny północny i południowy elektromagnesu wirnika zamieniały się podczas każdej połowy obrotu. Pole magnetyczne stojana, generowane jest tu przez magnes stały, zatem nie zmienia się w czasie. Żelazny rdzeń stojana powoduje, że linie pola biegną od lewej do prawej strony, to znaczy bieguny magnetyczne znajdują po lewej i prawej stronie. Cewka twornika próbuje ułożyć się wzdłuż linii pola stojana tak, aby jej biegun północny zbliżył się do południowego bieguna stojana. Gdy leży wzdłuż jego pola, jej bieguny podlegają odwróceniu i ponownie będzie próbować zawrócić. Przygotowanie i wykonanie doświadczenia Przygotuj doświadczenie zgodnie z Rysunkiem 1 i schemacie na Rysunku 2a. Przełącznik przełącz w dół. Ustaw zasilacz na 5 V i 1 A i włącz go. Przesuń przełącznik, pozostaw silnik w ruchu, a następnie przełącz przełącznik ponownie. Przekręć wirnik do położenia poziomego i włącz silnik. Przekręć wirnik do położenia pionowego i włącz silnik. Podczas pracy silnika zmieniaj napięcie zasilające (od 0 do 6 V). Podczas pracy silnika zmieniaj natężenie zasilającego prądu (od 0 do 0,6 A przy napięciu ustawionym na 6 V). Ustaw napięcie na 5 V, podczas pracy silnika, przekręć regulator natężenia prądu tak, czerwona LED, znajdująca się powyżej regulatora natężenia prądu, przestanie świecić. Zahamuj wirnik, dotykając palcem mosiężnej osi, obserwuj LED. Odwróć polaryzację prądu zasilającego silnika, włączyć go i pozostaw w ruchu, obserwuj kierunek obrotów. Odwróć magnes, zamieniając czerwone i zielone końcówki, włącz silnik i obserwuj kierunek obrotów, wprowadź wszystkie obserwacje do Tabeli 1. Gdy silnik dobrze pracuje, przełącz przełącznik w dół i obserwuj żarówkę. Zamień moduł żarówki na moduł włącznika, patrz Rysunek 2b. 2
Wyłączyć silnik przełącznikiem i pozostaw go w ruchu. Gdy silnik dobrze pracuje, przełącz przełącznik ponownie w dół i porównaj sposób hamowania silnika: o z otwartym wyłącznikiem o z wyłącznikiem zamkniętym i zapis obserwacje w Tabeli 1. Rys. 3: Okno pomiarowe Uruchom komputer i system operacyjny Windows. Podłącz Wireless Manager Cobra4 do gniazda USB. Uruchom pakiet oprogramowania measure na PC. Podłącz Cobra4 Wireless - Link do czujnika Elektryczność - Natężenie prądu/napięcie, ± 6 A, ± 30 V i uruchom go. Czujnik połączy się z programem i zaloguje się w Nawigatorze. Załaduj doświadczenie (Eksperyment > Otwórz eksperyment). Ustalą się wszystkie niezbędne ustawienia wstępne do zapisu mierzonych wartości. Doprowadź przełącznik do położenia dolnego, zamknij włącznik, ustaw zasilacz na 5 V i 1 A. Rozpocznij rejestrowanie mierzonych wartości w measure. Doprowadzić przełącznik do położenia górnego i uruchom silnik. Gdy silnik dobrze pracuje, doprowadzić przełącznik do położenia dolnego. Gdy tylko silnik się zatrzyma, zakończ pomiary. Wyślij dane pomiarowe do programu głównego measure do dalszej analizy. Przeprowadź gromadzenie mierzonych wartości, w ten sam sposób, ale z przełącznikiem otwartym i włącznikiem zastąpionym małą żarówką. Sprawdź pobór mocy silnika pod obciążeniem: Uruchom silnik, rozpocznij rejestrowanie mierzonych wartości w measure, zahamuj silnik naciskając palcem na mosiężną oś i zakończ pomiary. Wyślij dane pomiarowe do programu głównego measure do dalszej analizy. 3
Obserwacje i wyniki pomiarów Czy silnik uruchomi się sam, gdy wirnik znajduje się w położeniu poziomym? Czy silnik uruchomi się sam, gdy wirnik znajduje się w położeniu pionowym? Jak się zmienia szybkość obrotów ze wzrostem napięcia? Jak się zmienia szybkość obrotów ze wzrostem natężenia prądu? Jak zmienia się natężenie prądu, gdy silnik jest obciążony, na przykład przez hamowanie? Czy po odwróceniu polaryzacji zasilania zmienił się kierunek obrotów? Czy po odwróceniu biegunów magnesu zmienił się kierunek obrotów? Kiedy silnik zatrzymuje się szybciej, gdy przełącznik jest otwarty, czy gdy jest zamknięty? Tabela 1 Analiza wyników 1. Wymień dwie przyczyny powodujące, że model silnika ma martwy punkt w położeniu poziomym. 2. Czy można uruchomić ten silnik za pomocą prądu zmiennego? Dlaczego? 4
3. Czy, gdy użyjemy tego silnika jako prądnicę, polaryzacja generowanego napięcia zależy od kierunku obrotów? Dlaczego? Jeśli masz wątpliwości, wykonaj doświadczenie: Uruchom pomiar z Cobra4 z przełącznikiem skierowanym w dół pozostawiając wyłącznik otwarty, kręć osią silnika i obserwuj zmiany napięcia. Uwagi Proste prądnice, takie jak dynamo rowerowe, często generują prąd zmienny. W nich, cewka jest stała, a wirnik zawiera magnesy trwałe. W ten sposób można zrobić prądnicę bez komutatora, który jest częścią wirnika. 5
Przełącznik zamknięty: Gdy przełącznik jest wyłączony, silnik pracuje jako generator. Jeśli nie ma oporu, wytwarzany jest tylko prąd - nie ma napięcia lub mocy. Zmierzone napięcie i moc znikają, gdy cewki wirnika są zatrzymany na mniej niż dwie sekundy. Przełącznik otwarty: Gdy przełącznik jest przełączany prąd nie może płynąć, silnik generuje napięcie indukcyjne, ale nie ma mocy. Silnik jest hamowany przez tarcie i pracuje dwa razy dłużej. Żarówka zamiast przełącznika w obwodzie: żarówka pobiera moc silnika, który działa jako generator po wyłączeniu przełącznika, czas hamowania znajduje się między dwoma pierwszymi przypadkami. Silnik był hamowany palcem dociskanym do mosiężnej osi, przy czym wzrasta natężenia prądu i moc, ale obroty maleją. Rys. 4 Przykłady pomiarów 6
Silnik elektryczny prądu stałego z magnesem trwałym (Jak działa silnik elektryczny?) Położenie biegunów magnesu trwałego silnika prądu stałego wpływa na jego działanie, zależy od niego kierunek obrotów, który zależy również od polaryzacji zasilania. Silnik nie działa on prądem zmiennym. Eksperyment jest przygotowany dla uczniów, którzy mają podstawową wiedzę na temat sił pojawiających się w polu magnetycznym oraz sił związanych z elektromagnesami. Krzywe pomiarowe Cobra4 umożliwiają głębokie spojrzenie na procesy, związane z indukcją i regułą Lenza, ale omówienia takich szczegółów nie jest konieczne - dociekliwi uczniowie odkryją je sami. Uwagi na temat przygotowania i wykonania doświadczenia Jeśli oś silnika piszczy, nasmaruj ją odrobiną oleju. Obserwacje i wyniki pomiarów Czy silnik uruchomi się sam, gdy wirnik znajduje się w położeniu poziomym? Czy silnik uruchomi się sam, gdy wirnik znajduje się w położeniu pionowym? Jak się zmienia szybkość obrotów ze wzrostem napięcia? Jak się zmienia szybkość obrotów ze wzrostem natężenia prądu? Jak zmienia się natężenie prądu, gdy silnik jest obciążony, na przykład przez hamowanie? Czy po odwróceniu polaryzacji zasilania zmienił się kierunek obrotów? Czy po odwróceniu biegunów magnesu zmienił się kierunek obrotów? Kiedy silnik zatrzymuje się szybciej, gdy przełącznik jest otwarty, czy gdy jest zamknięty? Tabela 1 Nie Tak Rośnie Rośnie Rośnie Tak Tak Silnik zatrzymuje się szybciej, gdy przełącznik jest zamknięty i prąd może płynąć. Analiza wyników 1. Model silnika ma martwy punkt w położeniu poziomym, po pierwsze, dlatego, że płytki komutatora nie stykają się ze szczotkami (obwód nie jest zamknięty). A po drugie, dlatego, że w tym położeniu, nawet gdyby prąd popłynął, nie wytworzyłby momentu siły, ponieważ linie pola magnetycznego wytworzonego przez stojan byłyby równoległe do tych, które wytwarza twornik. Obie strony wirnika byłyby przyciągane przez stojan. 2. Silnik ten nie może pracować, gdy jest zasilany prądem przemiennym, ponieważ kierunek obrotu zmienia się przy zmianie polaryzacji napięcia zasilającego. Moment obrotowy silnika zmieniałby się przy każdej zmianie biegunów i w efekcie wygaszałby się. Ten silnik, pod wpływem napięcia z częstotliwością sieciową będzie tylko drżeć. 3. Gdy silnik jest wykorzystywany jako generator, polaryzacja wytworzonego napięcia zależy od kierunku obrotów. Ponieważ komutator zmienia kierunek prądu, każde pół obrotu wygeneruje pół fali o tej samej polaryzacji, powstaje pulsujący prąd stały. Patrz Rysunek 5. 7
Silnik elektryczny prądu stałego z magnesem trwałym Rys. 5 Wirnik przekręcono dwa razy w jednym kierunku i trzy razy w drugim. 8