Електродвигател

Когато включа този ключ и започне да тече ток, вентилаторът ни се завърта. Такива уреди, които преобразуват електричеството във въртене, наричаме електромотор. Тези устройства се използват в много места като перални, дрелки и дори електрически коли. Но големият въпрос е как електричният ток, който по същество е движещи се електрони, "бута" нещо толкова голямо, колкото един вентилатор, и го кара да се върти. Тайната на тези мотори са магнити. В предишно видео сме виждали, че носеща ток жица може да бъде "бутана" от магнити, или, технически, магнитни полета. Електрическият мотор използва това магнитно "побутване", за да завърти един носещ ток проводник. Нека в това видео проучим точно как работи това. Нека започнем с два магнита, които ще генерират магнитно поле, което ще бута нашата носеща ток жица и вместо да поставим само една носеща ток жица ще поставим правоъгълен контур, носещ ток. Контурът може да е с всякаква форма, Но ако е правоъгълен ще е по-лесно да анализираме това. И ако се чудиш защо взимаме контур, скоро ще разбереш. Сега нека не се тревожим откъде идва токът, къде е батерията. Ще се справим с това по-късно. Всяка страна на този правоъгълен контур е носеща ток жица в магнитно поле, което означава, че всяка страна ще изпита сила и, като резултат, тази намотка може да започне да се движи. За да намерим как ще се движи тази намотка, трябва да открием посоката на силата, действаща върху всяка страна на този контур. За да направим това, както сме виждали преди, можем да използваме правилото за лявата ръка, при която използваш лявата си ръка и изправяш пръстите си, а палецът ти дава посоката на силата, показалецът ти дава посоката на магнитното поле, а средният пръст ти дава посоката на тока. За да намерим силата върху всяка страна на жицата, просто трябва да поставим пръстите си съответно на тока и магнитното поле и палецът ще ни каже в каква посока е силата. След това трябва да приложим това правило на лявата ръка към всяка страна на жицата. Можеш ли да изпробваш това самостоятелно? Страхотна идея е да спреш видеото и да видиш дали можеш да приложиш това самостоятелно и да намериш посоката на силата. Добре, да направим това – да започнем с розовата жица. Токът е навътре, а магнитното поле е наляво. Ако подредим пръстите на лявата си ръка, те ще изглеждат ето така. Забележи, палецът сочи нагоре и, като резултат, силата е нагоре. Ако приложим същото правило на лявата ръка към тази страна, виждаме, че силата действа надолу и ако погледнеш тези две оставащи страни, токът е успореден на магнитното поле и преди сме виждали, че когато електричният ток е успореден на магнитното поле, полето не го „отблъсква", тоест няма да действат никакви сили върху тази жица или върху тази жица. Тук ще има сила нагоре, а тук ще има сила надолу. Като резултат намотката ни ще започне да се движи, но как точно ще се движи? Ето я дъската ми. Нека си представим... Това е правоъгълната ни намотка. Забележи, в лявата страна ше я бутна нагоре, в дясната страна ще я бутна надолу и, като резултат, забележи, започва да се върти. И така намотката ни също ще започне да се върти. И всъщност тук ще се върти в посока по часовниковата стрелка. Същото нещо ще се случи тук – намотката ще започне да се върти по часовниковата стрелка. Докато се върти силите върху тази жица и тази жица ще останат същите, понеже магнитното поле пак е в същата посока, токът пак е към екрана, не се е променил. Тоест силата тук пак ще е нагоре, а силата тук пак ще е надолу. Но може да се чудиш какво се случва сега със силите от тази страна и тази страна. По-рано те бяха успоредни на магнитното поле, но сега вече не са успоредни на магнитното поле. Ще има ли сили, действащи върху тези жици сега? Да, ще има. Ще повлияят ли тези сили на въртенето? Не, няма. Защо не? Да видим. Ако приложим правилото на лявата ръка към тази жица, забележи, магнитното поле е наляво, токът е надолу, тоест ако приложиш правилото на лявата ръка, виждаме, че силата ще е към екрана. Подобно, ако приложим правилото на лявата ръка от тази страна, тук силата ще излиза от екрана. Тези сили действат върху жиците, но какво правят? Те "дърпат" тази намотка навън. Все едно да вземем тази дъска и да я дърпаме ето така. Тези две сили няма да правят нищо. Те просто ще се съкратят. Те няма да предоставят никакво въртене и, като резултат, можем напълно да ги игнорираме. Те няма да повлияят на въртенето ни. През цялото въртене ще игнорираме силите, действащи върху тази страна и тази страна, понеже те просто ще се съкратят и няма да повлияят на въртенето ни. Сега намотката ни се върти, но скоро ще се натъкнем на проблем. Виждаш, че ако върнем дъската си, ако искаме тази дъска непрекъснато да се върти в посока по часовниковата стрелка, тогава, забележи, силата вдясно трябва винаги да е надолу, а силата вляво трябва винаги да е нагоре. Трябва винаги да следват това правило. Тук, след като розовата жица дойде вдясно, забележи, силата вдясно започва да действа нагоре, а силата вляво започва да действа надолу. Това ще завърти намотката обратно в посока обратна на часовниковата стрелка. Какво ще се случи след това? След това намотката ще се завърти обратно, ето така. Отново, намотката ще се завърти напред по, а после обратно на, часовниковата стрелка. По, а после обратно на, часовниковата стрелка. Това не е добре, това не е мотор, или поне не е добър мотор, понеже не завършва дори едно въртене. Как да поправим това? За да се уверим, че постоянно се върти в посока по часовниковата стрелка, трябва някак да се уверим, че когато стигнем до тази позиция, силата върху тази жица трябва да действа надолу, а силата върху тази жица трябва да действа нагоре. Само тогава ще продължи да се върти в посока по часовниковата стрелка. Трябва да обърнем посоката на силите, но въпросът е как да направим това. Нека отново използваме лявата си ръка. За да обърнем посоката, да кажем, ето тук, палецът трябва да сочи надолу. Има два начина да направим това. Първо, можем да обърнем показалеца си. Обръщаме магнитното поле, токът остава същият. Това е единият начин, но няма да го направим, понеже обръщането на посоката на магнитното поле никак не е лесно. Трябва да променим полюсите, а не можем да направим това автоматично. Но друг начин да постигнем това е да оставим магнитното поле в същата посока, но да обърнем посоката на тока, средния си пръст, ето така. И, като резултат, силата ни тук сега ще сочи надолу. Ако обърнем посоката на тока навсякъде, посоката на силата ще се промени навсякъде, тоест силата тук ще е надолу, а силата тук ще е нагоре и ако се чудиш как можем да променим посоката на тока, ами, ще видим как да направим това малко по-късно. Но това е най-важното нещо тук в тази позиция. Трябва да променим посоката на тока. Нека дръпнем ръката си, да обърнем посоката на тока и сега силите се обръщат и, като резултат, намотката ни ще продължи да се върти по часовниковата стрелка. Това ще продължи, докато, отново, след като сега синята жица се преобърне, след като синята жица дойде вдясно, а розовата жица дойде вляво, отново имаме същия проблем вдясно. Вляво силата е нагоре, вдясно е надолу. Отново трябва да направим същото нещо. Трябва да променим посоката на тока. След като променим посоката на тока, намотката ще продължи да се върти. Чрез променяне на посоката на тока на всяко половин въртене, посоката на силите ще се промени и намотката ни ще продължи да се върти. И най-накрая сме превърнали електричеството във въртене и в тази анимация спирам всеки път, когато токът се променя, така че да можем да видим обръщането на силите. Но, разбира се, в реалността това ще продължи да се върти непрекъснато. Последното нещо, което трябва да проучим, е как да прикрепим батерия към това и да се уверим, че посоката на тока се преобръща на всяко половин въртене. Да кажем, че вземем батерията си, прикачим две жици към нея и директно прикрепим тези жици към намотката ни, тогава когато намотката започне да се върти, понеже през нея протича ток, ще видиш, че жиците започват да се засукват и заплитат, но по-важното е, че в тази позиция искаме посоката на тока да се обърне. Как да направим това? Можем или да преобърнем батерията, или да преобърнем тази връзка – тази жица да дойде тук, а тази жица да дойде тук. Тогава посоката на тока ще се промени, силите ще се обърнат и намотката ще продължи да се върти. Но как да направим това да се случва автоматично? Как да го направим автоматично? Може да го направим чрез устройство, наречено комутатор. Един комутатор се състои от разделени пръстени, които, по същество, са две половинки от метални пръстени с процеп между тях и две въглеродни четки. Жиците са прикрепени към тези четки, а четките са само в контакт с пръстените, не са свързани с тях. Поради този контакт електричество започва да протича през тях и докато намотката се върти, забележи, и пръстенът се върти с тях, но четките остават неподвижни. Тоест четките буквално се трият в пръстените, като така поддържат контакт и водят до протичане на електричество. Това решава проблема със заплитането на жиците. Но, което е по-важно, да видим как това обръща посоката на тока на всяко половин въртене. Точно сега розовият пръстен е в контакт с положителния терминал, а синият пръстен е в контакт с отрицателния терминал, но забележи какво се случва, след като намотката се завърти достатъчно. След като намотката се завърти и стигне до тази позиция, забележи, розовият пръстен е в контакт с тази четка, отрицателния терминал на батерията, а синият пръстен е в контакт с тази четка, положителния терминал на батерията И поради този комутатор токът автоматично ще започне да протича оттук към тази намотка в обратна посока, като излиза оттук и отива към отрицателния терминал. Посоката на тока се преобръща и силите се преобръщат, което прави така, че намотката да продължи да се върти по часовниковата стрелка, докато, забележи, пак ще променят четките, с които са в контакт. Розовата жица ще влезе в контакт с положителния терминал, а синята ще влезе в контакт с отрицателния терминал. И, като резултат, токът отново ще тече насам. Силите отново се обръщат. Като използваме комутатор постигнахме пълно действие на мотора. Какво научихме в това видео? Научихме, че един мотор се състои от два магнита и носеща ток намотка. Магнитното поле действа върху намотката и я кара да се върти. Важното е, че всеки път, когато намотката стане перпендикулярна на магнитното поле, ето така, искаме посоката на тока да се промени и това се постига чрез комутатор, който е просто разделени метални пръстени и две въглеродни четки. Променянето на тока променя посоката на силата и така моторът продължава да се върти в същата посока и така можем да преобразуваме електричеството във въртене и, ако имаме достатъчно ток тук и ако намотката и магнитите са достатъчно силни, тогава можем да свържем всичко, което искаме, като вентилатор, или пералня, или дрелка, и да го накараме да се върти като използваме електричество.