motorer og vælge den rigtige

Hvad får en Motor til at bevæge sig?

det mest vage og enkle svar er magnetisme! Ok, lad os nu tage denne enkle kraft og gøre den til en superbil!

for at holde tingene enkle skal vi se på nogle koncepter gennem tankeeksperimentets linse. Nogle friheder vil blive taget, men hvis du vil komme ned og beskidt med detaljerne, kan du kontakte Dr. Griffiths. Til vores tankeeksperiment vil vi sige, at et magnetfelt produceres af en bevægende elektron, dvs.strøm. Mens dette skaber en klassisk model for os at bruge, bryder tingene ned, når vi når atomniveauet. For at forstå magnetismens atomniveau mere forklarer Griffiths det i en anden bog…

elektromagnetisme

for at skabe en magnet eller magnetfelt skal vi se på, hvordan de genereres. Forholdet mellem nuværende og magnetik felt opfører sig i henhold til højre regel. Når strømmen passerer gennem en ledning, dannes et magnetfelt omkring ledningen i retning af dine fingre, når de vikles rundt om den. Dette er en forenkling af AMP Kurtres kraftlov, da den virker på en nuværende bæretråd. Nu, hvis du placerer den samme ledning i et allerede eksisterende magnetfelt, kan du generere en kraft. Denne kraft kaldes Lorents kraft.

hvis strømmen øges, styrkes magnetfeltets styrke. Men for at gøre noget nyttigt med feltet, ville det tage utrolige mængder strøm. Desuden ville ledningen, der leverer strømmen, bære den samme magnetiske styrke og således skabe ukontrollerede felter. Ved at bøje ledningen i en løkke kan der oprettes et rettet og koncentreret felt.

elektromagneter

ved looping ledning og passerer en strøm, oprettes en elektromagnet. Hvis en trådsløjfe kan koncentrere marken, hvad kan du gøre med mere? Hvad med et par hundrede mere! Jo flere sløjfer du tilføjer til kredsløbet, desto stærkere bliver feltet for en given strøm. Hvis det er tilfældet, hvorfor ser vi ikke tusinder**, hvis ikke **millioner af viklinger i motorer og elektromagneter? Jo længere ledningen er, jo højere modstand har den. Ohms lov (V = i*R) siger at opretholde den samme strøm som modstanden stiger, spændingen skal stige. I nogle tilfælde giver det mening at bruge højere spændinger; i andre tilfælde bruger nogle større ledninger med mindre modstand. Brug af større ledninger er dyrere og er generelt vanskeligere at arbejde med. Dette er faktorer, der skal vejes, når man designer en motor.

Eksperimenttid

for at oprette din egen elektromagnet skal du blot finde en bolt (eller anden rund stålgenstand), en magnettråd (30-22 gauge fungerer fint) og et batteri.

sæt mellem 75-100 omdrejninger af tråd omkring stålet. Ved hjælp af et stålcenter koncentreres magnetfeltet yderligere og øger dets effektive styrke. Vi vil gennemgå, hvorfor dette sker i næste afsnit.

brug nu sandpapir til at fjerne isoleringen fra enderne af ledningerne og tilslut hver ledning til hver terminal på batteriet. Tillykke! Du har bygget den første komponent i en motor! For at teste styrken af din elektromagnet, prøv at hente papirclips eller andre små stålgenstande.

ferromagnetisme

når vi ser tilbage til begyndelsen af vores tankeeksperiment, må magnetfelter kun produceres af en strøm. Ved at tage definitionen af strøm som en strøm af elektroner, bør elektroner, der kredser om et atom, skabe en strøm og dermed et magnetfelt! Hvis hvert atom har elektroner, er alt magnetisk? Ja! Alt stof, inklusive frøer, kan udtrykke magnetiske egenskaber, når de får nok energi. Men ikke al magnetisme skabes ens. Årsagen til, at jeg kan hente skruer med en køleskabsmagnent og ikke en frø, er forskellen mellem ferromagnetisme og paramagnetisme. Måden at differentiere de to (og et par flere typer) er gennem studiet af kvantemekanik.

ferromagnetisme vil være vores fokus, da det er det stærkeste fænomen og er det, vi har mest erfaring med. For at aflaste os fra at skulle forstå dette på kvanteniveau, vil vi acceptere, at atomer af ferromagnetiske materialer har tendens til at justere deres magnetfelter med deres naboer. Selvom de har tendens til at tilpasse sig, skaber uoverensstemmelser i materiale og andre faktorer som crystaline struktur magnetiske domæner.

når magnetiske domæner er justeret i en tilfældig rækkefølge, annullerer nabofelter hinanden, hvilket resulterer i et ikke-magnetiseret materiale. En gang i nærværelse af et stærkt eksternt felt er det muligt at justere disse domæner igen. Ved at tilpasse disse domæner styrker det overordnede felt og skaber en magnet!

denne omjustering kan være permanent afhængigt af feltets styrke. Dette er fantastisk, fordi vi har brug for disse i næste afsnit.

permanente magneter

permanente magneter opfører sig på samme måde som elektromagneter. Den eneste forskel er, godt, de er permanente.

på alle tegninger peger pilene væk fra Nordpolen og mod sydpolen. En anden konvention er at bruge farven rød til at repræsentere Nord og blå til at repræsentere syd. For at identificere en magnetpolaritet kan du bruge et kompas. Da modsætninger tiltrækker, vil nålen pege nordpå til magnetens sydpol.

du kan udføre det samme eksperiment med en elektromagnet for at bestemme polaritet.

hvis du vender strømmen af strøm, kan du se, hvordan en elektromagnet kan vende sine poler.

dette er et nøgleprincip for bygning af motorer! Lad os nu se på nogle forskellige motorer, og hvordan de bruger magneter og elektromagneter.