Model jako prądnica prądu stałego

Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciński
www.dydaktyka.fizyka.szc.pl
PRĄDNICA - SILNIK
Model rozbierany
(V 5 – 103)
Rys. 1
Model służy do pokazania budowy prądnicy i silnika na prąd stały oraz wyjaśnienia zasad
ich działania. Odpowiednio do swego przeznaczenia ma on taką konstrukcję, że wszystkie
części składowe są dobrze widoczne. Model można 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). Każda szpula ma 200 zwojów
drutu Ø 0,5 mm.
Twornik (3) ma pięć pasm (4), każde 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 można napędzać za pomocą korbki (9) umocowanej na kole napędowym (10),
połączonym pasem
(11) z twornikiem.
W skład wyposażenia przyrządu wchodzi kilkudziesięciozwojowa cewka-wirnik nawinięta
izolowanym drutem miedzianym Ø 0,5 mm; dodaje się również 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–
Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciński
www.dydaktyka.fizyka.szc.pl
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–
Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciński
Rys. 5.
www.dydaktyka.fizyka.szc.pl
Rys. 6.
Na rysunkach 3, 4, 5 i 6 są podane rozpływy indukowanych prądów dla takich położeń
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 można przyjąć w przybliżeniu za płaskie wirujące
ramki w polu magnetycznym. Pole magnetyczne wytwarzają dwa elektromagnesy
umieszczone po bokach wirnika. Elektromagnesy należy podłączyć za pomocą zacisków M ze
źródłem prądu stałego niskiego napięcia.
Rys. 7
-3–
Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciński
www.dydaktyka.fizyka.szc.pl
Na 4 górnych wykresach (rys. 7) są pokazane zmiany prądów w czasie - dla
poszczególnych uzwojeń wirnika odpowiadające położeniom A, B, C, D - przedstawionym
na rys. 3, 4, 5 i 6. Wykres dolny (ostatni) przedstawia sumaryczny indukowany prąd
elektryczny. Prąd sumaryczny możemy przyjąć za stały. (W rzeczywistości ze względu na
małą liczbę uzwojeń występują niewielkie pulsacje natężeń).
Siła elektromotoryczna, powstająca w płaskiej ramce, obejmującej pole Q i wirującej ze
stałą prędkością kątową ω w polu magnetycznym o natężeniu H wyraża się wzorem:
E = QH ω sin ф
gdzie ф oznacza kąt między płaszczyzną ramki a płaszczyzną prostopadłą do linii
magnetycznych. Ponieważ kąt ф w czasie jednego obrotu zmienia się od 0° do 360°, więc i
siła elektromotoryczna zmienia się również. 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.
Jeżeli ramka składa się z Z zwojów, to siła elektromotoryczna w niej w danej chwili:
E = ZQH ω sin ф
Jeżeli 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,
należy wynik pomnożyć przez 10 –8.
Ostatecznie mamy wzór:
E(v) = 10-8 * Z* Q (cm²)*H(oe)* ω(1/sek)* sin ф
Za pomocą modelu prądnicy można pokazać zależność siły elektromotorycznej od
strumienia magnetycznego i liczby obrotów w jednostce czasu.
Zależność sił y
magnetycznego
elektromotorycznej
od
w ielkości
strumienia
Zależność siły elektromotorycznej od wielkości strumienia magnetycznego przy
zachowaniu tej samej prędkości kątowej oraz liczby zwojów można 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 natężeniu.
Twornik prądnicy wprawiamy za pomocą korby w szybki ruch obrotowy, wówczas
woltomierz wskaże nam pewną siłę elektromotoryczną. Następnie powiększamy natężenie
prądu płynącego przez uzwojenia elektromagnesu. Woltomierz wskaże nam większą siłę
elektromotoryczną na skutek zwiększenia strumienia magnetycznego.
Zależność sił y elektromotorycznej od prędkości kątowej, a w ięc 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–
Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciński
www.dydaktyka.fizyka.szc.pl
obrotów do możliwie najszybszych. W miarę wzrostu liczby obrotów twornika będzie
wzrastała siła elektromotoryczna.
Ponadto za pomocą modelu prądnicy można pokazać generację prądu stałego. Do
szczotek prądnicy za pośrednictwem zacisków S przyłączamy galwanoskop pionowy z zerem
w środku skali. Obracając twornik bardzo wolno zauważymy, że wskazówka przyrządu
wychyla się tylko w jedną stronę od zera. Jest to dowodem, że 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 powyższym nie należy przepuszczać prądu
(wzbudzającego) przez cewki elektromagnesu, gdyż indukowana siła elektromotoryczna jest
zbyt duża i spowoduje nadmierne wychylenie się wskazówki galwanoskopu.
Już przy niewielkim wzbudzeniu można uzyskać, szybko obracając korbą, siłę
elektromotoryczną prądu rzędu 3-3,5 V. Moc, jaką można uzyskać w tych warunkach, wynosi
około 1 W i prądnica może zasilać żarówkę od latarki kieszonkowej. Powiększając prąd
wzbudzający w uzwojeniach elektromagnesu, uzyskujemy szybki wzrost siły
elektromotorycznej prądu wzbudzonego. Zależność siły elektromotorycznej od liczby zwojów
i pola ramek nie da się pokazać, gdyż wielkości tych w modelu nie można zmienić
Zastosow anie modelu jako silnika elektryczn ego na prąd stał y
Za pomocą modelu możemy także demonstrować działanie silnika elektrycznego.
Silnik może 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), należy 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). Jeżeli 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–
Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciński
www.dydaktyka.fizyka.szc.pl
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 możemy stosować, podobnie jak
poprzednio, zasilacz lub baterię akumulatorów i opornicę
Model silnika może być również zasilany prądem z prostownika przyłączonego do
sieci prądu zmiennego. Należy 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 położenia, przy którym iskrzenie
szczotek jest najmniejsze a silnik działa najsprawniej.
Aby zmienić kierunek obrotów silnika, należy zmienić kierunek prądu w magneśnicy,
nie zmieniając kierunku prądu w rotorze. W tym celu trzeba w silniku bocznikowym połączyć
S1 z M2 a S2 z M1, zaś w silniku szeregowym S2 z M1 .
Model chronić przed kurzem i wilgocią. Łożyska smarować od czasu do czasu
rzadkim olejem mineralnym.
BIOFIZ
ZJEDNOCZENIE PRZEMYSŁU POMOCY NAUKOWYCH I ZAOPATRZENIA SZKÓŁ WARSZAWA
P rz yr ząd wr az z i n s tr u k cj ą zo s ta ł z at wierd zo n y p rzez Mi n is ter s t wo O ś wiat y p i s me m n r P 4 3 8 7 4 /6 2 z d n ia 2 5 .1 0 .1 9 6 2 r o k u d o uż yt k u s z ko l ne go .
Nr ka talo go wy: V 5 - 1 0 3
P ro d u ko wa n o : Fab r yk a P o mo c y Na u ko wyc h w W arsz a wi e -W ło c ha c h
Źródło: ze zbiorów Pracowni Dydaktyki Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Szczecińskiego
-6–