Motoren und Auswahl des richtigen Motors

Was bewegt einen Motor?

Die vage und einfachste Antwort ist Magnetismus! Ok, jetzt nehmen wir diese einfache Kraft und verwandeln sie in ein Superauto!

Um die Dinge einfach zu halten, müssen wir einige Konzepte durch die Linse des Gedankenexperiments betrachten. Einige Freiheiten werden genommen, aber wenn Sie sich mit den Details schmutzig machen möchten, können Sie sich an Dr. Griffiths wenden. Für unser Gedankenexperiment werden wir feststellen, dass ein Magnetfeld durch ein sich bewegendes Elektron, dh Strom, erzeugt wird. Während dies ein klassisches Modell für uns schafft, brechen die Dinge zusammen, wenn wir die atomare Ebene erreichen. Um die atomare Ebene des Magnetismus besser zu verstehen, erklärt Griffiths dies in einem anderen Buch…

Elektromagnetismus

Um einen Magneten oder ein Magnetfeld zu erzeugen, müssen wir uns ansehen, wie sie erzeugt werden. Die Beziehung zwischen Strom und Magnetfeld verhält sich nach der rechten Regel. Wenn Strom durch einen Draht fließt, bildet sich ein Magnetfeld um den Draht in Richtung Ihrer Finger, wenn sie sich um ihn wickeln. Dies ist eine Vereinfachung des Kraftgesetzes von Ampère, da es auf einen stromführenden Draht einwirkt. Wenn Sie nun denselben Draht in ein bereits vorhandenes Magnetfeld legen, können Sie eine Kraft erzeugen. Diese Kraft wird als Lorentzkraft bezeichnet.

Wenn der Strom erhöht wird, wird die Stärke des Magnetfeldes verstärkt. Um jedoch etwas Nützliches mit dem Feld zu tun, wäre unglaublich viel Strom erforderlich. Darüber hinaus würde der Draht, der den Strom liefert, die gleiche magnetische Stärke tragen und so unkontrollierte Felder erzeugen. Durch Biegen des Drahtes zu einer Schlaufe kann ein gerichtetes und konzentriertes Feld erzeugt werden.

Elektromagnete

Durch Schleifen von Draht und Durchleiten eines Stroms wird ein Elektromagnet erzeugt. Wenn eine Drahtschleife das Feld konzentrieren kann, was können Sie mit mehr tun? Wie wär’s mit ein paar hundert mehr! Je mehr Schleifen Sie der Schaltung hinzufügen, desto stärker wird das Feld für einen bestimmten Strom. Wenn das der Fall ist, warum sehen wir dann nicht Tausende **, wenn nicht ** Millionen von Wicklungen in Motoren und Elektromagneten? Nun, je länger der Draht ist, desto höher ist der Widerstand. Das Ohmsche Gesetz (V = I * R) besagt, dass die Spannung ansteigen muss, um den gleichen Strom wie der Widerstand aufrechtzuerhalten. In einigen Fällen ist es sinnvoll, höhere Spannungen zu verwenden; In anderen Fällen verwenden einige größere Drähte mit weniger Widerstand. Die Verwendung größerer Drähte ist teurer und im Allgemeinen schwieriger zu verarbeiten. Dies sind Faktoren, die bei der Konstruktion eines Motors abgewogen werden müssen.

Experiment Time

Um Ihren eigenen Elektromagneten zu erstellen, suchen Sie einfach einen Bolzen (oder ein anderes rundes Stahlobjekt), etwas Magnetdraht (30-22 Gauge funktioniert gut) und eine Batterie.

Wickeln Sie zwischen 75 und 100 Drahtwindungen um den Stahl. Die Verwendung eines Stahlzentrums konzentriert das Magnetfeld weiter und erhöht seine effektive Stärke. Wir werden im nächsten Abschnitt darauf eingehen, warum dies geschieht.

Entfernen Sie nun mit Sandpapier die Isolierung von den Enden der Drähte und verbinden Sie jeden Draht mit jedem Anschluss der Batterie. Herzlichen Glückwunsch! Sie haben die erste Komponente eines Motors gebaut! Versuchen Sie, Büroklammern oder andere kleine Stahlobjekte aufzunehmen, um die Festigkeit Ihres Elektromagneten zu testen.

Ferromagnetismus

Wenn wir auf den Beginn unseres Gedankenexperiments zurückblicken, können Magnetfelder nur durch einen Strom erzeugt werden. Unter der Definition von Strom als Elektronenfluss sollten Elektronen, die ein Atom umkreisen, einen Strom und damit ein Magnetfeld erzeugen! Wenn jedes Atom Elektronen hat, ist alles magnetisch? JA! Alle Materie, einschließlich Frösche, kann magnetische Eigenschaften ausdrücken, wenn sie genügend Energie erhält. Aber nicht jeder Magnetismus wird gleich erzeugt. Der Grund, warum ich Schrauben mit einem Kühlmagneten und nicht mit einem Frosch aufnehmen kann, ist der Unterschied zwischen Ferromagnetismus und Paramagnetismus. Der Weg, die beiden (und einige weitere Typen) zu unterscheiden, führt über das Studium der Quantenmechanik.

Ferromagnetismus wird unser Fokus sein, da er das stärkste Phänomen ist und mit dem wir am meisten Erfahrung haben. Um uns davon zu befreien, dies auf Quantenebene verstehen zu müssen, werden wir akzeptieren, dass Atome ferromagnetischer Materialien dazu neigen, ihre Magnetfelder mit ihren Nachbarn auszurichten. Obwohl sie dazu neigen, sich auszurichten, erzeugen Inkonsistenzen im Material und andere Faktoren wie die Kristallstruktur magnetische Domänen.

Wenn magnetische Domänen in zufälliger Reihenfolge ausgerichtet sind, heben sich benachbarte Felder gegenseitig auf, was zu einem nicht magnetisierten Material führt. Einmal in Gegenwart eines starken externen Feldes ist es möglich, diese Domänen neu auszurichten. Durch die Ausrichtung dieser Domänen verstärkt sich das Gesamtfeld und erzeugt einen Magneten!

Diese Neuausrichtung kann abhängig von der Stärke des Feldes dauerhaft sein. Das ist großartig, weil wir diese im nächsten Abschnitt benötigen.

Permanentmagnete

Permanentmagnete verhalten sich wie Elektromagnete. Der einzige Unterschied ist, gut, sie sind permanent.

In allen Zeichnungen zeigen die Pfeile vom Nordpol weg und zum Südpol hin. Eine andere Konvention besteht darin, die Farbe Rot für den Norden und Blau für den Süden zu verwenden. Um eine bestimmte Polarität zu identifizieren, können Sie einen Kompass verwenden. Da sich Gegensätze anziehen, zeigt die Nadel nach Norden zum Südpol des Magneten.

Sie können dasselbe Experiment mit einem Elektromagneten durchführen, um die Polarität zu bestimmen.

Wenn Sie den Stromfluss umkehren, können Sie sehen, wie ein Elektromagnet seine Pole umkehren kann.

Dies ist ein Schlüsselprinzip für den Bau von Motoren! Schauen wir uns nun einige verschiedene Motoren an und wie sie Magnete und Elektromagnete verwenden.