Silniki i wybór właściwego

co sprawia, że silnik porusza się?

najbardziej niejasną i prostą odpowiedzią jest magnetyzm! Ok, teraz weźmy tę prostą siłę i przekształćmy ją w super samochód!

aby wszystko było proste, będziemy musieli spojrzeć na niektóre pojęcia przez pryzmat eksperymentu myślowego. Pewne swobody zostaną odebrane, ale jeśli chcesz się zabrudzić szczegółami, możesz skonsultować się z doktorem Griffithsem. W naszym eksperymencie myślowym stwierdzimy, że pole magnetyczne jest wytwarzane przez poruszający się elektron, tj. prąd. Podczas gdy tworzy to klasyczny model dla nas do wykorzystania, rzeczy załamują się, gdy osiągniemy poziom atomowy. Aby lepiej zrozumieć poziom atomowy magnetyzmu, Griffiths wyjaśnia to w innej książce…

elektromagnetyzm

aby stworzyć magnes lub pole magnetyczne, będziemy musieli przyjrzeć się, jak są generowane. Zależność między prądem a polem magnetycznym zachowuje się zgodnie z regułą prawej ręki. Gdy prąd przechodzi przez drut, wokół drutu tworzy się pole magnetyczne w kierunku palców, które go owijają. Jest to uproszczenie prawa siły Ampère ‘ a, ponieważ działa on na przewód przewodzący prąd. Jeśli umieścisz ten sam przewód w istniejącym wcześniej polu magnetycznym, możesz wytworzyć siłę. Siła ta jest określana jako siła Lorentza.

jeśli prąd jest zwiększony, siła pola magnetycznego jest wzmocniona. Jednak, aby zrobić coś użytecznego z polem, wymagałoby to niesamowitych ilości prądu. Ponadto drut dostarczający prąd miałby taką samą siłę magnetyczną, tworząc w ten sposób niekontrolowane pola. Zginając drut w pętlę, można utworzyć skierowane i skoncentrowane pole.

Elektromagnesy

poprzez zapętlenie przewodu i przepuszczenie prądu powstaje elektromagnes. Jeśli jedna pętla drutu może skoncentrować pole, co można zrobić z więcej? Może jeszcze kilkaset! Im więcej pętli dodasz do obwodu, tym silniejsze staje się pole dla danego prądu. Jeśli tak, to dlaczego nie widzimy tysięcy, jeśli nie milionów uzwojeń w silnikach i elektromagnesach? Im dłuższy drut, tym większy opór. Prawo Ohma (V = I*R) mówi, że aby utrzymać ten sam prąd przy wzroście rezystancji, napięcie musi wzrastać. W niektórych przypadkach sensowne jest stosowanie wyższych napięć; w innych przypadkach niektórzy używają większego drutu o mniejszej rezystancji. Korzystanie z większego drutu jest bardziej kosztowne i na ogół trudniejsze do pracy. Są to czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania silnika.

czas eksperymentu

aby stworzyć własny elektromagnes, po prostu znajdź śrubę (lub inny okrągły stalowy przedmiot), jakiś drut magnetyczny (miernik 30-22 działa dobrze) i baterię.

owiń między 75-100 zwojami drutu wokół stali. Użycie stalowego centrum dodatkowo koncentruje pole magnetyczne, zwiększając jego efektywną siłę. Omówimy, dlaczego tak się dzieje w następnej sekcji.

teraz, używając papieru ściernego, Usuń izolację z końców przewodów i podłącz każdy przewód do każdego zacisku akumulatora. Gratulacje! Zbudowałeś pierwszy element silnika! Aby sprawdzić wytrzymałość elektromagnesu, spróbuj podnieść spinacze do papieru lub inne małe stalowe przedmioty.

Ferromagnetyzm

patrząc wstecz na początek naszego eksperymentu myślowego, pola magnetyczne mogą być wytwarzane tylko przez prąd. Przyjmując definicję prądu jako przepływu elektronów, elektrony orbitujące wokół atomu powinny tworzyć prąd, a tym samym pole magnetyczne! Jeśli każdy atom ma elektrony, czy wszystko jest magnetyczne? Tak! Cała materia, w tym żaby, może wyrażać właściwości magnetyczne, gdy dana jest wystarczająca ilość energii. Ale nie wszystkie magnetyzm jest tworzony jednakowo. Powodem, dla którego mogę podnieść śruby z magnesem refrider, a nie żabą, jest różnica między ferromagnetyzmem a paramagnetyzmem. Sposób na rozróżnienie tych dwóch (i kilku innych typów) polega na badaniu mechaniki kwantowej.

Ferromagnetyzm będzie naszym celem, ponieważ jest najsilniejszym zjawiskiem i jest tym, z czym mamy największe doświadczenie. Co więcej, aby uwolnić nas od konieczności zrozumienia tego na poziomie kwantowym, przyjmiemy, że atomy materiałów ferromagnetycznych mają tendencję do wyrównywania swoich pól magnetycznych ze swoimi sąsiadami. Chociaż mają tendencję do wyrównywania, niespójności w materiale i inne czynniki, takie jak struktura krystaliczna, tworzą domeny magnetyczne.

gdy domeny magnetyczne są wyrównane w losowej kolejności, sąsiednie pola anulują się nawzajem, co powoduje, że materiał nie jest namagnesowany. Gdy w obecności silnego pola zewnętrznego możliwe jest ponowne wyrównanie tych domen. Wyrównując te domeny, ogólne pole wzmacnia się, tworząc magnes!

to ponowne wyrównanie może być trwałe w zależności od siły pola. To świetnie, ponieważ będziemy ich potrzebować w następnej sekcji.

magnesy trwałe

magnesy trwałe zachowują się tak samo jak Elektromagnesy. Jedyną różnicą jest to, że są trwałe.

na wszystkich rysunkach strzałki będą skierowane od bieguna północnego do bieguna południowego. Inną konwencją jest użycie koloru czerwonego do reprezentowania północy i niebieskiego do reprezentowania południa. Aby zidentyfikować polaryzację magnesów, możesz użyć kompasu. Ponieważ przeciwieństwa się przyciągają, igła wskazuje na północ na Biegun Południowy magnesu.

możesz wykonać ten sam eksperyment z elektromagnesem, aby określić polaryzację.

jeśli odwrócisz przepływ prądu, możesz zobaczyć, jak elektromagnes może odwrócić bieguny.

jest to kluczowa zasada budowy silników! Spójrzmy teraz na różne silniki i jak używają magnesów i elektromagnesów.