Stačí pár minut a tři věci, které už možná máte. Vyzkoušejte další magnetický experiment. Sestavte si homopolární motor. Stačí vám k tomu tužková baterie, kousek měděného drátu a neodymový magnet – kotouč. Podívejte se na jednoduchý postup.
Homopolární motor patří mezi historicky nejstarší a zároveň nejjednodušší typy elektromotoru. Neobsahuje žádné složité vinutí ani elektroniku. Pusťte se do elektro-magnetického pokusu a roztočte motorek. Rotace funguje na principu otevřeného elektrického obvodu.
Co budete na homopolární motorek potřebovat?
Stačí vám minimum součástek. Základem je klasická alkalická tužková baterie velikosti AA s napětím 1,5 voltu.
Dále je zapotřebí silný neodymový magnet KT-15-10-N ve tvaru kotouče o průměru 15 mm, který poslouží zároveň jako podstavec i zdroj magnetického pole. Použili jsme magnet s výškou 10 mm.
Posledním dílkem sestavy je měděný drát bez izolace. Měď je pro tento pokus ideální díky vynikající vodivosti a dobré tvárnosti. To asi oceníte i při ladění tvaru rotoru. Po ruce jsme měli měděný drát tloušťky 1 mm.
Co je homopolární motor?
Termín homopolární pochází z řeckého homos (stejný) a polos (pól). V kontextu malého motorku slova znamenají, že elektrická polarita vodiče i orientace magnetického pole zůstávají po celou dobu rotace neměnné.
U většiny běžných elektromotorů na střídavý proud (AC) nebo stejnosměrný proud (DC) s komutátorem se směr proudu v cívkách neustále přepíná, aby si udržely rotační pohyb.
U homopolárního motoru teče proud drátem stále stejným směrem. Magnetické pole ze základny má rovněž trvalou orientaci, například severní pól stále míří nahoru. Proud teče v uzavřeném obvodu stále „jedním pólem“ magnetického pole.
Jak vytvořit elektromotor? Od baterie k první otáčce
Sestavení motorku začněte vytvořením stabilní základny. Neodymový magnet přicvakněte k plochému – mínusovému pólu baterie.
Magnetická síla neodymových magnetů je velká, baterie bude na magnetu pevně stát jako na podstavci. Hotovo? Máte statickou část motoru a můžete se pustit do výroby rotoru z měděného drátku.
Drátek vytvarujte do podoby, aby místo zhruba uprostřed drátku dosadlo shora na kladný pól baterie. Vrchní část drátu doporučujeme ohnout do špičky. Bude pak fungovat jako kluzné ložisko.
Ramena drátu ohněte dolů podél těla baterie tak, aby končila dole u magnetu, jako na ukázkách. Tam potom dojde k uzavření obvodu.
Jakmile se měď dotkne boční stěny magnetu, elektrický proud začne protékat z baterie skrze drát do magnetu a zpět do druhého pólu.
Je zapotřebí, aby se druhý konec drátku mohl dotýkat magnetu.
Aby se motor mohl točit, musí se měděný rotor na baterii volně otáčet a nikde nedrhnout. Pro zatočení a ohýbání drátu můžete použít vařečku nebo jinou tyčku s průměrem zhruba shodným jako má tužková baterie. Anebo drátek omotejte rovnou okolo baterie.
Proč se drátek někdy netočí? Zkuste udělat smyčku
Stává se, že i když máte vše správně propojené, elektromotor se někdy ani nepohne. Častým problémem bývá buď příliš vysoké tření, anebo nespolehlivý kontakt drátku dole u magnetu.
Pokud se drát magnetu dotýká pouze v jednom jediném bodě, může při roztočení odskočit a obvod se tím přeruší. Rotor se pak neotáčí.
Zkuste raději vytvořit na spodním konci drátu volnou smyčku, jako máme na fotkách. Ta magnet s malou mezírkou „objímá“. Smyčka zajistí, že se drát magnetu dotýká na více místech najednou.
Tím se stabilizuje průtok proudu a motor získá plynulý chod. Navíc tato úprava pomáhá rotor lépe vyvážit, což je při dosažení vysokých otáček důležité.
Fyzikální kouzlo jménem Lorentzova síla
Proč se ale drátek vlastně začne otáčet? Díky jevu, kterému fyzici říkají Lorentzova síla. Působí na každý elektrický náboj, který se pohybuje v magnetickém poli.
V případě našeho experimentu teče proud svisle dolů drátkem, magnetické pole z neodymového kotouče směřuje kolmo na něj. Výsledkem je mechanická síla, která tlačí na drátek do strany.
Vztah pro tuto sílu se dá vektorově zapsat jako:
F = I (L × B)
Kde I je elektrický proud, L délka vodiče a B magnetická indukce. Protože síla působí vždy kolmo na směr proudu i magnetického pole, začne drátek baterii obíhat a vytvoří rotační pohyb.
Obměňte motor a pozorujte změny
Co dál? Experimentuje s jednotlivými díly homopolárního motoru. Stačí drobná změna v sestavě a začne fungovat jinak. Vyzkoušejte tři změny a sledujte, co se stane.
1) Otočte magnet druhou stranou k baterii
Zkuste neodymový kotouč od baterie odpojit a přicvaknout jej opačnou stranou. Co se změní? Elektrický proud teče stále, ale změnila se orientace magnetického pole, severní a jižní pól. Podle pravidla levé ruky se obrátí směr působící Lorentzovy síly, což v praxi znamená, že se drátěný rotor začne točit na opačnou stranu.
2) Přidejte do sestavy další magnet
Pokud pod baterii přicvaknete druhý neodymový magnet, vytvoříte silnější magnetické pole. Výsledkem by měla být vyšší rychlost rotace, protože na náboj v drátu působí větší síla. Zároveň se ale zvýší i hmotnost základny, což u volně rotujícího rotoru pomůže ke stabilitě – těžší podstavec lépe udrží vibrace roztočeného drátu a motor tak snáze udrží vysoké otáčky bez poskakování drátku.
3) Co když zapojíte další baterii?
Spojením dvou baterií AA za sebou, tedy v sériovém zapojení, zvýšíte napětí na 3 V. Obvodem proteče větší elektrický proud, což motoru dodá více energie a rotor by se měl roztočit ještě rychleji.
Avšak pozor! Měděný drát i kontakty na baterii se začnou kvůli vysokému proudu velmi rychle zahřívat. Nenechávejte proto motorek točit dlouho, ať se nespálí obvod nebo nepoškodí izolace baterií.
Co se může stát při přehřátí motoru?
Pokud necháte motor v chodu moc dlouho nebo se drát zasekne, začne se sestava okamžitě přehřívat. Co hrozí?
- Ztráta magnetismu: Běžné neodymové magnety jsou citlivé na vyšší teploty. Jakmile teplota překročí určitou hranici, u standardních typů magnetů je to kolem 80 °C, začnou ztrácet svou magnetickou sílu. Pokud by došlo k dosažení Curieovy teploty, cca 310 °C, dojde ke zničení magnetu, jeho demagnetizaci.
- Vysoké riziko pro baterii: Běžná AA baterie není stavěná na trvalý vysoký odběr proudu. Při extrémním přehřátí může dojít k vytečení elektrolytu, nafouknutí obalu, a v nejhorším scénáři i k explozi nebo požáru, i když u jedné AA baterky je pravděpodobnější spíše popálení rukou a zničení kontaktů či přepálení drátu.
- Popálení rukou: Měděný drát se stane během pár sekund rozpáleným vodičem. Používejte raději rukavice a po rozpojení sestavy nechte drátek, magnet i baterii vychladnout.
Bezpečnost na prvním místě
I když jsou magnetické pokusy zábavným způsobem poznávání magnetismu, elektromagnetismu i fyziky, bezpečnostní pravidla jsou jasná. Při pokusu by měl být vždy přítomen dospělý.
Neodymové magnety jsou extrémně silné a nepatří do rukou malých dětí!
Může dojít ke skřípnutí prstů a dalším nebezpečným úrazům.
Magnetické pokusy a experimenty
Homopolární motor je příkladem toho, jak je možné složité fyzikální principy demonstrovat během pár minut. Ať už si jej sestavíte pro zábavu nebo jako školní projekt, možná vás překvapí, kolik energie se skrývá v jedné malé tužkové baterii a magnetu.
Prozkoumejte a vyzkoušejte další experimenty a fyzikální pokusy s magnety.
