www.pl.euhou.net Logo designed by Armella Leung, www.armella.fr.to Maria Dobkowska Zespół Szkół Integrcyjnych nr 62 im. Raoula Wallenberga Warszawa, Polska Arvind Gupta ArvindGuptaToys, India http://www.arvindguptatoys.com/ Ariel Majcher Instytut Problemów Jądrowych Otwock-Świerk, Polska Krzysztof P. 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. Przedstawiamy Państwu dwa, nieco zmodyfikowane modele silniczka, które mogą znacznie uatrakcyjnić lekcje fizyki. Oba modele są łatwe do zbudowania przez kaŝdego ucznia w gimnazjum, a licealistów dzięki tej zabawce mogą Państwo zachęcić do głębszej analizy działających sił.
1. Potrzebne materiały Do zbudowania silniczka potrzebne są następujące materiały: bateria (dowolna: R6, R14 lub R20), noŝyczki, okrągły magnes neodymowy; obecnie magnesy neodymowe są naprawdę łatwo dostępne i tanie, radzimy zakupienie do pracowni fizycznej kilkunastu takich magnesów (Allegro!) poniewaŝ moŝna je wykorzystać podczas wielu ciekawych pokazów i eksperymentów. Ponadto dla silniczka w wersji z obracającym się magnesem: folia aluminiowa (typowa, przeznaczona do uŝytku w gospodarstwie domowym np. do pieczenia), płaski magnes ferrytowy do przytrzymania folii, wkręt lub gwóźdź. WaŜne, aby gwóźdź był stalowy, a nie mosięŝny, kolorowy papier.
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 ostry nóŝ do zdrapania izolacji z drutu.
Rys. 2: zestaw elementów potrzebnych do wykonania silniczka w wersji z obracającą się ramką Zbudujemy teŝ silnik prądu stałego z obracającym się uzwojeniem: dwie dość duŝe agrafki, gumki recepturki, spory kawałek zaizolowanego drutu miedzianego 0.25 0.5 mm, magnes neodymowy.
Rys. 3: zestaw elementów potrzebnych do wykonania silniczka w wersji z obracającym się uzwojeniem 2. 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 wzdłuŝ, by był nieco sztywniejszy. Z papieru wycinamy wiatraczek, który pozwoli lepiej zauwaŝyć, w którą stronę wiruje magnes. Proponujemy wyciąć z papieru kółko o średnicy ok. 4-5cm, naciąć brzegi wzdłuŝ promieni kółka i zagiąć brzegi tak, by utworzyły jakby łopatki wirnika. W środku kółka robimy mały otwór i nakładamy wiatraczek na wkręt (lub gwóźdź). WaŜne, aby wkręt był stalowy, a nie mosięŝny. 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 naleŝy przykładać tak, by ślizgał się jak szczotka po ściance
magnesu. Uwaga: płynący przez pasek folii prąd ma dość duŝe natęŝenie i folia moŝe 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 juŝ 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 połoŝenia biegunów baterii (czyli zmianie kierunku płynącego prądu) i biegunów magnesu. PoniŜszy obrazek przedstawia zmontowany i opisany silniczek gotowy do uruchomienia: Rys. 4: zmontowany i opisany silniczek w wersji z obracającym się magnesem Natomiast klikając tu moŝna zobaczyć film przedstawiający złoŝenie i uruchomienie silniczka. Prosimy równieŝ sprawdzić co się stanie, jeśli odwrócimy baterię. wersja z obracającą się ramką (Grzegorz F. Wojewoda) Za pomocą noŝyczek odcinamy kawałek miedzianego drutu o długości około 40 cm. Druty miedziane są z reguły pokryte warstwą lakieru pełniącego rolę izolacji. W połowie długości, na odcinku około 8 cm, usuwamy (oczywiście za po-
mocą noŝyczek) izolację. Drut miedziany moŝna odzyskać ze zwykłego przewodu elektrycznego: Rys. 5: przygotowanie odpowiedniej ilości miedzianego drutu Wykonanie ramki rozpoczynamy od zrobienia pętelki. NaleŜy przy tym uwa- Ŝać, aby kawałki drutu nie stykały się ze sobą: Rys. 6: formowanie ramki zaczynamy od wykonania pętelki Następnie wyginamy boki ramki. Rozmiary ramki dobieramy tak, aby druty je tworzące znalazły się około 0,5 cm od baterii. Wyginanie ramki kończymy przygotowaniem końcówek drutu do ślizgania się po górnej części baterii. Zbyt dłu-
gie końcówki drutu naleŝy odciąć, oczywiście za pomocą noŝyczek: Rys. 7: w pełni uformowana ramka Przygotowaną w ten sposób ramkę mocujemy do baterii z magnesem: Rys. 8: końcowy etap składania silniczka I juŝ moŝemy podziwiać obracającą się ramkę, czyli działający model silnika elektrycznego (fotografia silnika w ruchu):
Rys. 9: Zdjęcie działąjącego silniczka w wersji z obracającą się ramką Klikając tutaj moŝna zobaczyć filmik przedstawiający złoŝenie i uruchomienie silnika elektrycznego w wersji z obracającą się ramką miedzianą. TakŜe bawiąc się tym silniczkiem prosimy sprawdzić co się stanie, jeśli obrócimy baterię lub magnes. silnik prądu stałego z obracającym się uzwojeniem (Arwind Gupta) Budowę silniczka zaczniemy od nawinięcia uzwojenia z drutu miedzianego. Uzwojenie powinno mieć 10 15 zwojów. Za wiele zwojów spowoduje Ŝe uzwojenie będzie zbyt cięŝkie, za mało zwojów pogorszy działanie silnika. Do nawijania moŝna wykorzystać baterię, tak jak na zdjęciu poniŝej, lub inną rurkę o podobnej lub trochę mniejszej średnicy. Nawet własny palec!
Rys. 10: Nawijanie uzwojenia Końce uzwojenia delikatnie oplatamy i wyprowadzamy na zewnątrz, tak jak na zdjęciu: Rys. 11: Zakończenie uzwojenia Teraz trzeba zdrapać izolację z końcówek uzwojenia, ale tylko na połowie obwodu drutu miedzianego, tak jak na zdjęciu! JeŜeli 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 zaleŝności od tego, w którą stronę popchniemy uzwojenie na początku. Wyobraźcie sobie tramwaj, który rusza z przystanku do przodu lub do tyłu, w zaleŝności od tego w którą stronę go popchniemy... Silnik elektryczny prądu stałego jest urządzeniem przydatnym w Ŝyciu codziennym właśnie dlatego Ŝe moŝna sterować kierunkiem obrotu silnika, i taki właśnie silnik budujemy. Uwaga, na obu końcach uzwojenia izolację trzeba zdrapać z tej samej strony! Rys. 12: Zdejmowanie izolacji Teraz mocujemy agrafki i magnes za pomocą gumek-recepturek, tak jak na rysunku, wsuwamy końce uzwojenia w oczka agrafek i silnik jest gotowy!
Rys. 13: MontaŜ 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, moŝna zbliŝyć go do wirującego uzwojenia i sprawdzić czy silnik przyspiesza czy zwalnia. A moŝe zaleŝy to od orientacji biegunów magnesu? Rys. 14: Eksperymenty z silnikiem śyczymy miłej zabawy!