Zajrzyj do silnika

To przekrój poglądowy silnika z magnesami trwałymi, jedną cewką z jednym zwojem i dwoma wycinkami komutatora. W rzeczywistych maszynach zwykle jest więcej cewek i wycinków. Tu rozdzielamy i powiększamy części, żeby pokazać ich zadania. Przekrój ukrywa górną połowę jarzma i przednią podporę łożyska; magnesy pozostają na miejscu.

Duże złote strzałki na przewodach, szczotkach, komutatorze i cewce pokazują umowny kierunek prądu (elektrony w metalu poruszają się przeciwnie). W przekroju wyróżniona droga jest widoczna także przez inne części. W pełnej obudowie pokazujemy tylko zewnętrzne połączenia. Strzałki znikają, gdy prąd nie płynie, i pozostają widoczne po zatrzymaniu obrazu. Zielone strzałki pokazują kierunek głównego pola N → S w szczelinie, a nie pełny przebieg jego linii. Znacznik A pozwala śledzić ten sam bok cewki przez cały obrót.

W trybie silnika fioletowe strzałki F pokazują zwrot sił na przewody cewki, a łuk M — kierunek momentu napędzającego. Długość tych strzałek nie podaje ich wartości. W położeniach komutacji ukrywamy je wraz z zanikiem prądu w uproszczonym modelu.

Animacja ma zadaną, powolną prędkość: pokazuje kolejność zdarzeń, nie oblicza rozruchu, bezwładności, prądu, przeciwnej SEM ani obciążenia. Po wyłączeniu zatrzymujemy obraz od razu. W prawdziwym silniku wirnik może jeszcze wybiegać. Jedna cewka ma martwe położenia; rzeczywisty model nie ruszy sam z każdego ustawienia.

Podczas przechodzenia szczotek przez izolacyjne przerwy pokazujemy krótki brak prądu. W maszynach wielocewkowych komutacja jest bardziej złożona. Suwak przesuwa model ręcznie również przy wyłączonym zasilaniu. Tryb „Prądnica” pokazuje osobno napęd mechaniczny, napięcie i przepływ do odbiornika.

Zatrzymanie obrazu w przewodniku to stop-klatka pracującej maszyny: zachowuje napięcie i strzałki prądu z tej chwili. Nie oznacza fizycznego zatrzymania napędu. Gdy rzeczywista prądnica z magnesami trwałymi przestanie się obracać, SEM od ruchu spadnie do zera. Jasność symbolu odbiornika tylko sygnalizuje przepływ; nie obliczamy mocy ani bezwładności cieplnej żarówki.

Stojan / jarzmo

Nieruchoma obudowa podtrzymuje bieguny i zamyka drogę strumienia magnetycznego.

Magnesy N i S

W tym modelu magnesy trwałe zapewniają główne pole. W innych maszynach robią to elektromagnesy z uzwojeniem wzbudzenia.

Rdzeń wirnika

Stalowy rdzeń obraca się z uzwojeniem. Rdzeń z uzwojeniem pełni tu funkcję twornika.

Uzwojenie twornika

Miedziana cewka obraca się w polu. Siły działające na jej przewody z prądem tworzą moment obrotowy.

Komutator

Dwa odizolowane wycinki obracają się z cewką. Co pół obrotu zmieniają jej połączenie ze szczotkami.

Szczotki

Nieruchome styki ślizgają się po komutatorze. Doprowadzają prąd, nie obracają się z wałem.

Wał

Obraca się razem z wirnikiem i przekazuje moment do napędzanego urządzenia.

Łożyska

Podpierają wał i pozwalają mu obracać się z małym tarciem. W widoku przekroju odsłaniamy ich wnętrze.

1. Najpierw istnieje pole magnetyczne. Magnesy wytwarzają pole nawet bez podłączonego zasilania. Zielone strzałki pokazują jego kierunek. Cewka jeszcze stoi, więc w tym modelu nie indukuje się w niej napięcie od ruchu. Samo pole nie wystarcza. Potrzebujemy ruchu cewki względem pola.
2. Dostarczamy ruch przez wał. Zewnętrzny napęd — na przykład turbina albo korba — obraca wał. Razem z wałem obraca się cewka. To napęd dostarcza energię mechaniczną. Nie podłączamy tu baterii do szczotek. Włącz „Pokaż obrót”, a potem zatrzymaj obraz. Magnesy pozostają nieruchome, cewka porusza się w ich polu.
3. Napięcie powstaje w uzwojeniu. Pole magnetyczne działa na ładunki w poruszającym się przewodzie. Rozdziela je, tworząc napięcie — siłę elektromotoryczną, czyli SEM. Ten sam proces opisuje zmiana strumienia magnetycznego obejmowanego przez cewkę. Ładunki już są w materiale: prądnica nie produkuje nowych elektronów. Obwód odbiornika jest nadal otwarty. Napięcie może występować, ale ustalony prąd do odbiornika nie płynie.
4. Komutator zachowuje biegunowość wyjścia. Po przejściu cewki pod drugi biegun napięcie w danym jej boku odwraca zwrot. W tej samej chwili komutator zamienia podłączenie cewki do szczotek. Dlatego wyjściowa szczotka „+” pozostaje dodatnia przy tym samym kierunku obrotu i pola. Komutator przełącza połączenia; nie jest źródłem energii. Napięcie jednej cewki pulsuje, a przy przełączaniu przechodzi przez zero.
5. Zamykamy obwód — teraz płynie prąd. Łączymy szczotki przez odbiornik. Napięcie prądnicy wywołuje przepływ prądu. Na schemacie śledź pomarańczowe strzałki: od szczotki „+”, przez odbiornik, do szczotki „−”, a wewnątrz prądnicy z powrotem przez komutator i cewkę. To umowny kierunek prądu. Elektrony w metalach przemieszczają się przeciwnie. Prąd pojawia się w całej pętli — nie czeka, aż jeden elektron obiegnie obwód.
6. Kolejne pół obrotu — odbiornik nadal działa. Jesteśmy pół obrotu dalej niż w poprzednim kroku. Prąd w boku A płynie teraz przeciwnie. Dzięki komutatorowi w odbiorniku zachowuje ten sam kierunek. Jedna cewka daje prąd pulsujący; wiele cewek wygładza jego przebieg. Prądnica pod obciążeniem stawia napędowi opór. Żeby odbiornik otrzymywał energię elektryczną, trzeba nadal dostarczać energię mechaniczną do wału.

1. Źródło ma napięcie, ale obwód jest otwarty. Bateria może dostarczyć energię elektryczną. Magnesy N i S już wytwarzają pole, ale przełącznik jest otwarty: prąd nie płynie przez uzwojenie. Nie powstaje więc moment napędzający wirnik. Napięcie źródła i pole magnesów to jeszcze nie obrót. Przejdź dalej, aby zamknąć drogę dla prądu.
2. Zamykamy drogę — prąd dociera do cewki. Prąd umowny płynie od plusa baterii do szczotki „+”, przez komutator i cewkę, następnie przez szczotkę „−” wraca do minusa baterii. Ładunki nie znikają w silniku: płyną w zamkniętej pętli, a źródło dostarcza energię. Śledź duże złote strzałki na samym modelu: przewód + → szczotka → komutator → cewka → druga szczotka → przewód −. W dwóch bokach cewki prąd płynie przeciwnie.
3. Pole działa siłą na przewody z prądem. Przewody z prądem znajdują się w polu stojana. Pole działa na nie siłami elektrodynamicznymi. Fioletowe strzałki F pokazują te siły: jeden bok jest popychany w jedną stronę, a przeciwległy w drugą. Ich zwrot zależy od kierunku prądu i pola. Rozróżnij strzałki: zielone — pole, złote — prąd, fioletowe — siła. Siła jest prostopadła do prądu i pola.
4. Dwie siły tworzą moment obrotowy. Siły działają w różnych miejscach względem osi. Tworzą moment, który obraca cewkę, rdzeń i wał. To podobne do obracania kierownicy obiema rękami. Strzałka M wskazuje kierunek tego momentu. Tu energia elektryczna jest przekształcana w mechaniczną. Uruchom obrót i zatrzymaj obraz w dowolnej chwili. Zmienia się położenie boków cewki względem osi. Strzałki nie są skalą wartości siły ani momentu.
5. Komutator podtrzymuje kierunek momentu. Cewka jest pół obrotu dalej. Bok A przeszedł pod drugi biegun. Komutator odwrócił prąd w cewce, więc odwróciła się też siła na tym boku. Ponieważ bok zmienił stronę osi, moment nadal napędza wirnik w tę samą stronę. Porównaj kroki 4 i 5: prąd i siła na boku A zmieniają zwrot, ale strzałka momentu M zachowuje kierunek.
6. Wał przekazuje energię mechaniczną. Wał może obracać koło, wentylator albo inne urządzenie. Gdy oddaje moment obracającemu się obciążeniu, silnik wykonuje pracę mechaniczną. Część dostarczanej energii jest tracona m.in. jako ciepło w uzwojeniu i tarcie. Cały ciąg przemiany: bateria → prąd w cewce i pole → siły → moment → obrót i praca wału. Prąd nie zamienia się w materię: przekształca się energia.