Motoren en het selecteren van de juiste

Wat doet een Motor bewegen?

het meest vage en eenvoudige antwoord is magnetisme! Ok, laten we nu deze simpele kracht nemen en er een super auto van maken!

om het eenvoudig te houden, zullen we enkele concepten moeten bekijken door de lens van het gedachte-experiment. Sommige vrijheden zullen worden genomen, maar als je wilt krijgen en vuil met de details, kunt u Dr. Griffiths raadplegen. Voor ons gedachte-experiment, gaan we stellen dat een magnetisch veld wordt geproduceerd door een bewegend elektron dat wil zeggen stroom. Terwijl dit een klassiek model creëert voor ons om te gebruiken, breken dingen af wanneer we het atomaire niveau bereiken. Om het atomaire niveau van magnetisme meer te begrijpen, legt Griffiths dat uit in een ander boek…

elektromagnetisme

om een magneet of magnetisch veld te creëren, zullen we moeten kijken hoe ze worden gegenereerd. De relatie tussen stroom en magnetisch veld gedragen zich volgens de rechter regel. Als stroom door een draad gaat, vormt zich een magnetisch veld rond de draad in de richting van je vingers als ze eromheen wikkelen. Dit is een vereenvoudiging van Ampère ‘ s krachtwet omdat het werkt op een stroomdragende draad. Als je diezelfde draad in een bestaand magnetisch veld plaatst, kun je een kracht genereren. Deze kracht wordt de lorentzkracht genoemd.

als de stroom wordt verhoogd, wordt de sterkte van het magnetisch veld versterkt. Hoewel, om iets nuttigs te doen met het veld, zou het ongelooflijke hoeveelheden stroom vergen. Bovendien zou de draad die de stroom levert dezelfde magnetische sterkte dragen, waardoor ongecontroleerde velden ontstaan. Door de draad in een lus te buigen, kan een gericht en geconcentreerd veld worden gecreëerd.

elektromagneten

door een lusdraad en het passeren van een stroom ontstaat een elektromagneet. Als één lus van draad het veld kan concentreren, wat kun je doen met meer? Wat dacht je van een paar honderd meer! Hoe meer lussen je toevoegt aan het circuit, hoe sterker het veld wordt voor een bepaalde stroom. Als dat het geval is, waarom zien we dan niet duizenden, zo niet miljoenen, wikkelingen in motoren en elektromagneten? Hoe langer de draad, hoe hoger de weerstand. De wet van Ohm (V = I*R) zegt dat om dezelfde stroom te behouden als de weerstand toeneemt, de spanning moet toenemen. In sommige gevallen is het zinvol om hogere spanningen te gebruiken; in andere gevallen gebruiken sommige grotere draad met minder weerstand. Het gebruik van grotere draad is duurder en is over het algemeen moeilijker om mee te werken. Dit zijn factoren die moeten worden afgewogen bij het ontwerpen van een motor.

Experimenteertijd

om uw eigen elektromagneet te maken, vindt u eenvoudig een bout (of een ander rond stalen object), een magneetdraad (30-22 meter werkt prima) en een batterij.

wikkel tussen 75-100 windingen van draad rond het staal. Met behulp van een stalen centrum verder concentreert het magnetische veld, het verhogen van de effectieve sterkte. We zullen bespreken waarom dit gebeurt in de volgende sectie.

verwijder nu met schuurpapier de isolatie van de uiteinden van de draden en sluit elke draad aan op elke aansluiting van de batterij. Gefeliciteerd! Je hebt het eerste onderdeel van een motor gebouwd! Om de sterkte van uw elektromagneet te testen, probeert u paperclips of andere kleine stalen voorwerpen op te pakken.

ferromagnetisme

terugkijkend op het begin van ons denkexperiment, mogen magnetische velden alleen door een stroom worden geproduceerd. Uitgaande van de definitie van stroom als een stroom van elektronen, zouden elektronen die om een atoom cirkelen een stroom en dus een magnetisch veld moeten creëren! Als elk atoom elektronen heeft is alles magnetisch? Ja! Alle materie, inclusief kikkers, kan magnetische eigenschappen uitdrukken wanneer voldoende energie gegeven wordt. Maar niet alle magnetisme wordt in gelijke mate gecreëerd. De reden dat ik schroeven kan oppakken met een koelkast magnent en niet met een kikker is het verschil tussen ferromagnetisme en paramagnetisme. De manier om de twee (en een paar meer types) te onderscheiden is door de studie van de kwantummechanica.

ferromagnetisme zal onze focus zijn, omdat het het sterkste fenomeen is en waar we het meest ervaring mee hebben. Verder, om ons te bevrijden van het moeten begrijpen van dit op kwantumniveau, gaan we accepteren dat atomen van ferromagnetische materialen de neiging hebben om hun magnetische velden af te stemmen op hun buren. Hoewel ze de neiging om uit te lijnen, inconsistenties in materiaal en andere factoren zoals kristallijn structuur creëren magnetische domeinen.

wanneer magnetische domeinen in een willekeurige volgorde zijn uitgelijnd, heffen naburige velden elkaar op, wat resulteert in een niet-gemagnetiseerd materiaal. Eenmaal in de aanwezigheid van een sterk extern veld is het mogelijk om deze domeinen opnieuw uit te lijnen. Door deze domeinen uit te lijnen, versterkt het totale veld, waardoor een magneet ontstaat!

deze heruitlijning kan permanent zijn afhankelijk van de sterkte van het veld. Dit is geweldig, want we hebben deze nodig in de volgende sectie.

permanente magneten

permanente magneten gedragen zich op dezelfde wijze als elektromagneten. Het enige verschil is dat ze permanent zijn.

in alle tekeningen wijzen de pijlen weg van de Noordpool en naar de Zuidpool. Een andere conventie is om de kleur rood te gebruiken voor Noord en blauw voor Zuid. Om een magneten polariteit te identificeren, kunt u een kompas gebruiken. Omdat tegenpolen elkaar aantrekken, zal de naald naar het noorden wijzen naar de zuidpool van de magneet.

u kunt hetzelfde experiment uitvoeren met een elektromagneet om de polariteit te bepalen.

als je de stroom omdraait, kun je zien hoe een elektromagneet zijn polen kan omkeren.

dit is een sleutelprincipe voor bouwmotoren! Laten we nu eens kijken naar een aantal verschillende motoren en hoe ze magneten en elektromagneten gebruiken.