← Laboratorium Technika · Elektromagnetyzm

Technika · Silnik i prądnica

Indukcja — silnik elektryczny i prądnica

Prąd w polu magnetycznym wytwarza ruch, a ruch w polu magnetycznym wytwarza prąd. Na tej jednej symetrii opiera się każdy silnik w pralce i każda prądnica w elektrowni. Popchnij przewód siłą Lorentza, zajrzyj do komutatora, zakręć korbą prądnicy i wsuń magnes do cewki — tak jak Faraday w 1831 roku.

6,0 V
20 mN·m

Jak to działa?

Cztery kroki od przewodu w polu magnesu do elektrowni. Karta bieżącego trybu jest podświetlona.

01 · SIŁA LORENTZA

Prąd w polu magnetycznym czuje siłę

Na każdy elektron płynący w przewodzie pole magnesu działa siłą Lorentza. Wszystkie te drobne siły sumują się w siłę elektrodynamiczną, która pcha cały przewód. Gdy przewód jest prostopadły do linii pola:

F=B·I·L

B — indukcja magnetyczna [T], I — natężenie prądu [A], L — długość przewodu w polu [m]. Gdy przewód biegnie ukośnie, siła maleje: F = B·I·L·sin α.

Reguła lewej dłoni: ustaw lewą dłoń tak, by linie pola wchodziły w jej wnętrze, a cztery palce wskazywały kierunek prądu — odchylony kciuk pokaże kierunek siły. Odwróć prąd albo magnes, a siła zmieni zwrot; odwróć oba — zostanie ten sam.

02 · SILNIK PRĄDU STAŁEGO

Komutator i SEM wsteczna

Na dwa boki ramki działają siły o przeciwnych zwrotach — powstaje moment siły, który obraca ramkę (twornik):

M=N·B·I·A·sin θ

θ — kąt między prostopadłą do ramki a liniami pola, A — pole powierzchni ramki, N — liczba zwojów. Po pół obrotu sin θ zmienia znak i ramka zaczęłaby się cofać. Komutator — pierścień rozcięty na dwie części — dokładnie wtedy odwraca prąd w ramce, więc moment ma stale ten sam zwrot: M = N·B·I·A·|sin θ|.

Obracająca się ramka sama jest prądnicą: indukuje się w niej SEM wsteczna ε, skierowana przeciw zasilaniu. Prąd

I=U − εR

maleje, gdy silnik przyspiesza — dlatego silnik ma prędkość maksymalną. Zablokowany silnik (ε = 0) pobiera największy prąd U/R i szybko się grzeje.

03 · PRĄDNICA

Zmienny strumień daje napięcie

Strumień magnetyczny mówi, ile linii pola przechodzi przez ramkę. Gdy ramka obraca się z prędkością kątową ω:

Φ=B·A·cos ωt

Zgodnie z prawem Faradaya zmiana strumienia indukuje napięcie (SEM):

ε=−N·ΔΦΔt=N·B·A·ω·sin ωt

Amplituda εmax = N·B·A·ω rośnie z liczbą zwojów, siłą magnesu i prędkością. Napięcie jest największe, gdy strumień jest zerowy, bo wtedy zmienia się najszybciej. Pierścienie ślizgowe dają prąd przemienny, a komutator co pół obrotu zamienia końce ramki i daje prąd tętniący jednego kierunku.

04 · FARADAY I LENZ

Magnes, cewka i przekora natury

Napięcie powstaje tylko wtedy, gdy strumień się zmienia — magnes leżący nieruchomo w cewce nie daje nic. Im szybszy ruch i więcej zwojów, tym większe wychylenie galwanometru:

ε=−N·ΔΦΔt

Reguła Lenza (to ona stoi za minusem we wzorze): prąd indukowany płynie tak, by jego pole przeciwdziałało zmianie, która go wywołała. Zbliżasz biegun N — cewka wystawia naprzeciw swój biegun N i odpycha magnes. Oddalasz — wystawia S i go przytrzymuje. Dlatego wytworzenie prądu zawsze wymaga pracy.

Uproszczenia modelu. Pole między biegunami jest jednorodne, ramka to jedna cewka z N zwojami, pomijamy indukcyjność uzwojeń i opór szczotek, a magnes sztabkowy w trybie Faradaya to para biegunów magnetycznych. Silnik w animacji obraca się 25 razy wolniej niż w rzeczywistości (odczyty pokazują prawdziwe obroty), a korba prądnicy kręci ramką bez przekładni. Liczby są orientacyjne, ale zależności — prawdziwe.

Czy wiesz, że…?

Trzy fakty o maszynach, które zamieniają prąd w ruch i ruch w prąd.

  1. Prąd w gniazdku to 50 obrotów na sekundę. Duże prądnice w elektrowniach węglowych i gazowych mają zwykle jedną parę biegunów i obracają się dokładnie 3000 razy na minutę. Jeden obrót to jeden pełny okres napięcia — stąd 50 Hz w polskiej sieci.
  2. Prawie połowa prądu na świecie napędza silniki. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej silniki elektryczne w pompach, wentylatorach, sprężarkach i maszynach zużywają około 45% całej energii elektrycznej na świecie.
  3. Silnik może stać się prądnicą. Tramwaj albo samochód elektryczny, hamując, przełącza silniki w tryb prądnicy: koła kręcą wirnikami, a odzyskana energia wraca do sieci lub akumulatora. Opór, który wtedy hamuje pojazd, to reguła Lenza w praktyce.

Wyzwania

Każde wyzwanie strona wykrywa sama. Numer mówi, w którym trybie go szukać.

  1. Wypchnij przewód w lewo i w prawoTRYB 1 Włącz prąd, a potem odwróć prąd albo magnes. Wychylenie musi przekroczyć 10° w obie strony. Zrobione! Siła zmienia zwrot razem z prądem lub polem — dokładnie jak w regule lewej dłoni.
  2. Zatrzymaj silnik przeciążeniemTRYB 2 Rozpędź silnik (co najmniej 3 V), a potem zwiększaj obciążenie, aż wirnik stanie. Zrobione! Bez obrotów nie ma SEM wstecznej, więc prąd skacze do U/R — tak przegrzewają się zablokowane silniki.
  3. Wytwórz 12 V amplitudy, kręcąc prądnicąTRYB 3 Kręć korbą szybciej albo zwiększ prędkość napędu, liczbę zwojów lub siłę magnesu. Zrobione! εmax = N·B·A·ω — każdy z czterech czynników działa tak samo.
  4. Wychyl wskazówkę galwanometru w lewo i w prawoTRYB 4 Wsuń i wysuń magnes na tyle szybko, by wskazówka przekroczyła połowę skali w obie strony. Zrobione! Zbliżanie i oddalanie magnesu dają prąd o przeciwnych kierunkach.
Ukończone: 0 z 4

Z historii

W 70 lat od igły kompasu do silników, które napędzają fabryki.

  1. 1820

    Hans Christian Ørsted

    Zauważa, że przewód z prądem odchyla igłę kompasu. To pierwszy dowód, że elektryczność i magnetyzm są ze sobą związane.

  2. 1821

    Michael Faraday

    Buduje „obrotnik elektromagnetyczny”: przewód z prądem krąży wokół magnesu zanurzonego w rtęci. To pierwszy przodek silnika elektrycznego.

  3. 1831

    Faraday odkrywa indukcję

    29 sierpnia 1831 r. zauważa prąd indukowany w cewce przy włączaniu i wyłączaniu drugiej cewki. Wkrótce buduje pierwszą prądnicę — miedzianą tarczę obracaną między biegunami magnesu.

  4. 1832–1834

    Pixii, Lenz i Jacobi

    Hippolyte Pixii buduje prądnicę z korbą, a do niej komutator. Heinrich Lenz formułuje regułę kierunku prądu indukowanego, a Moritz Jacobi w Królewcu — pierwszy użyteczny silnik z wirującym twornikiem.

  5. 1888

    Nikola Tesla

    Patentuje silnik indukcyjny prądu przemiennego z wirującym polem magnetycznym. Jego potomkowie pracują dziś w pompach, wiertarkach i pociągach.