Na co mění elektromotor elektrickou energii?

PŘEDPOKLÁDANÝ ČAS
Tento plán lekce zabere přibližně 50 minut.

KONCEPCE
Podle zákona o zachování energie nemůžeme energii vytvářet ani ničit, ale můžeme měnit její formu. To znamená, že můžeme přenášet energii na velké vzdálenosti v její elektrické formě, a když dorazí na místo určení, přeměnit ji na mechanickou formu, aby mohla pracovat.

SOUVISLOSTI
Nejběžnějším zařízením pro přeměnu elektrické energie na mechanickou je motor. Většina motorů používá elektromagnety k mechanickému otáčení, které může fungovat. Před tím, než Nikola Tesla vynalezl indukční motor na střídavý proud (střídavý proud), nemohly žádné motory měnit střídavý proud na mechanickou energii. Nejzákladnějším prvkem střídavého motoru je elektromagnet, magnet vyrobený z elektrického proudu. V prvním demonstračním experimentu níže můžete vyrobit a předvést elektromagnet, který studentům ukáže nejzákladnější způsob přeměny elektrické energie na mechanickou energii.

1. Diskutujte o myšlence, že jak byla mechanická energie přeměněna na elektrickou energii v elektrárně, elektrická energie má být nyní přeměněna zpět na mechanickou energii pomocí motoru.
2. Udělejte několik jednoduchých nákresů, jak magnety fungují při provozu motoru.
3. Diskutujte o použití motoru v průmyslu a o tom, jak by mohly fungovat další aplikace motoru.

• Věda jako dotaz: Vědci se obvykle ptají, jak fungují fyzické, živé nebo navržené systémy. Koncepční principy a znalosti vedou vědecké bádání. Historické a současné vědecké poznatky ovlivňují návrh a interpretaci výzkumů a hodnocení navrhovaných vysvětlení jiných vědců.
• Fyzikální věda, interakce energie a hmoty: Elektřina a magnetismus jsou dva aspekty jediné elektromagnetické síly. Pohybující se elektrické náboje vytvářejí magnetické síly a pohybující se magnety vytvářejí elektrické síly. Tyto efekty pomáhají studentům porozumět elektromotorům a generátorům.
• Fyzikální věda, zachování energie: Celková energie vesmíru je konstantní. Energie může být přenášena srážkami při chemických a jaderných reakcích, světelnými vlnami a jiným zářením a mnoha dalšími způsoby. Nikdy ji však nelze zničit. Jak k těmto přesunům dochází, daná záležitost se stává stále méně uspořádanou.
• Fyzikální věda, interakce energie a hmoty: Veškerá energie může být považována buď za kinetickou energii, což je energie pohybu; potenciální energie, která závisí na relativní poloze; nebo energie obsažená v poli, jako jsou elektromagnetické vlny.
• Fyzikální věda, interakce energie a hmoty: V některých materiálech, jako jsou kovy, elektrony proudí snadno, zatímco v izolačních materiálech, jako je sklo, nemohou proudit téměř vůbec. Polovodičové materiály mají přechodné chování. Při nízkých teplotách se některé materiály stávají supravodiče a nekladou žádný odpor toku elektronů.
• Věda a technika: Věda a technika jsou sledovány pro různé účely. Vědecké bádání je poháněno touhou porozumět přírodnímu světu a technologický design je poháněn potřebou uspokojovat lidské potřeby a řešit lidské problémy. Technologie má ze své podstaty přímější vliv na společnost než věda, protože jejím účelem je řešit lidské problémy, pomáhat lidem přizpůsobit se a plnit lidské aspirace. Technologická řešení mohou způsobit nové problémy. Věda svou povahou odpovídá na otázky, které mohou, ale nemusí přímo ovlivnit člověka. Vědecký pokrok někdy zpochybňuje víru lidí a praktická vysvětlení týkající se různých aspektů světa.

DEMONSTRACE EXPERIMENT:
ZMĚŇTE ELEKTRICKOU ENERGII V MECHANICKOU ENERGII

• 1palcový železný hřebík
• 100′ cívka s malým průřezem izolovaný měděný magnetický drát (#25)
• nožový spínač
• 4palcový železný hřebík
• 6-volt baterie
• malé železné skoby
• kancelářské sponky nebo cvočky

Postup
Prohlédněte si ilustrované pokyny pro vizuální přehled tohoto projektu.

Omotejte 4palcový hřebík cívkou s 25 až 50 závity drátu. Připojte jeden konec cívky k jedné svorce nožového spínače. Připojte druhou svorku nožového spínače k ​​baterii. Připojte konec cívky k druhému vývodu baterie. Držte špičku 1-palcového hřebu blízko plochého konce 4-palcového hřebu.

Rychle zavřete spínač nože a poté jej otevřete. (Nenechávejte je zavřené.) Co se stane? (1palcový hřebík bude přitažen směrem k 4palcovému hřebíku. Toto je mechanická energie v akci. Mechanická energie je způsobena přitažlivou silou elektromagnetu. Nyní si představte kruh elektromagnetů, které byste mohli zapnout a vypnout po druhém. Pomocí tohoto zařízení můžete nechat nehet pohybovat v kruhovém vzoru.)

Prozkoumejte svět venku
Požádejte studenty, aby vyjmenovali stroje, které k práci využívají rotační pohyb motorů. Nechte studenty identifikovat druh mechanické práce, kterou vykonávají spřádací části každého z těchto strojů. (Točící se nože elektrické sekačky sekají trávu; otáčející se kola auta pohybují autem po ulici; otáčející se cívka magnetofonu posouvá audio nebo video pásku)

Prozkoumejte filmové a webové stránky
Prezentujte související klipy z filmu Tesla: Master of Lightning do třídy. Níže jsou uvedeny některé návrhy:

04: 30 – 11: 41
Moje raná léta: Teslovo rané vzdělání

18: 36 – 23: 21
Válka proudů: Bitva mezi Edisonovým stejnosměrným proudem a Teslovým střídajícím proudem

23: 21 – 27: 40
Niagara: Přehled první vodní elektrárny

Po zhlédnutí ukázek z filmu požádejte studenty, aby napsali zprávu o sérii výzev, které přivedly mladého Nikolu Teslu k jeho vynálezu indukčního motoru na střídavý proud. Jak Tesla využil své příležitosti a překonal překážky svého úspěchu? Jak důležité pro Teslov úspěch bylo jeho vědecké vzdělání? Chcete-li najít další informace, na kterých lze založit tuto zprávu, požádejte studenty, aby se podívali na oblast Život a dědictví na tomto webu.

Co si myslíte?
Vyzvěte studenty, aby diskutovali o tom, jaký mohl být život, než se začaly běžně používat elektromotory. Jaká mohla být vaše komunita? Chcete-li dát studentům představu o ohromném přínosu Tesly světu, uspořádejte třídní výlet do historického muzea, kde uvidíte, jak lidé žili a pracovali předtím, než Nikola Tesla v roce 1895 pojal a navrhl první systém přenosu energie na dlouhé vzdálenosti.

• Jak dobře každý student vysvětlil myšlenku motoru v diskusi ve třídě.
• Jak studenti porovnávali činnost jednoduchého elektromagnetu s magnety pracujícími v motoru.
• Jak dobře uměli studenti nakreslit schéma indukčního motoru a vysvětlit rotující magnetické pole, díky kterému funguje.
• Jak dobře třídní diskuse ukázala, že studenti pochopili nejen fungování motoru, ale také výhody motorů provozovaných daleko od elektráren.

ROZŠÍŘENÍ
Proveďte studenty diskusí o tom, co se děje uvnitř elektrického generátoru nebo dynama. Cívka mnoha závitů měděného drátu se otáčí mezi severním a jižním pólem velmi silného magnetu. Když rotující cívka drátu prochází jedním pólem magnetu, elektrony v drátu jsou tlačeny jedním směrem. Když rotující cívka drátu prochází druhým pólem magnetu, jsou tyto elektrony taženy opačným směrem. Protože elektrický proud stále mění směr, nazývá se střídavý proud.

Propagační podporu poskytuje:

Elektromotory jsou zařízení, která přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii, obvykle ve formě rotačního pohybu. Jednoduše řečeno, jsou to zařízení, která využívají elektrickou energii k výrobě hnací síly.

Elektromotory poskytují nejen jednoduché a účinné prostředky pro generování vysokých úrovní výkonu pohonu, ale lze je také snadno zmenšit, což umožňuje jejich začlenění do jiných strojů a zařízení. V důsledku toho se nacházejí v široké škále aplikací jak v průmyslu, tak v každodenním životě.

• Princip fungování
• Historie elektromotorů
• Elektrické motory a generátory
• Typy elektromotorů
• Aplikace elektromotorů
• Překonání vašich problémů s elektromotory

Princip fungování

Pamatujete si, jak vás ve škole učili Flemingovo pravidlo levé ruky? Elektromotory jsou aplikací tohoto pravidla, přičemž síla generovaná elektrickým proudem protékajícím cívkou v přítomnosti magnetického pole způsobuje otáčení hřídele motoru.

V tomto diagramu nám Flemingovo pravidlo levé ruky říká, že vzestupná síla vzniká, když proud teče kolmo k magnetickému poli z magnetu * .

Magnetické pole: Oblast, ve které je přítomna magnetická síla (směrovaná ze severního (N) na jižní (S) pól magnetu).

Jak se dosahuje rotace v elektromotoru

Například v případě kartáčovaného stejnosměrného elektromotoru *1 lze tuto sílu využít k udržení nepřetržité rotace obrácením směru toku proudu při každé půlotáčce cívky (což je dosaženo pomocí kartáčů a komutátoru *2)

DC motor: Motor napájený stejnosměrným proudem (DC)

Kartáče a komutátor: Používají se společně a obrací směr toku proudu pokaždé, když hřídel motoru udělá půl otáčky.

Historie elektromotorů

Britský vědec Michael Faraday je uznáván jako zvláště vlivný mezi mnoha vědci z 19. století, kteří se podíleli na vynálezu a vývoji elektrických motorů. V roce 1821 provedl Faraday úspěšný experiment, ve kterém bylo dosaženo rotace drátu pomocí magnetu spolu s magnetickým polem generovaným elektrickým proudem. V roce 1831 vynalezl zákon magnetické indukce, čímž položil základy pro významný pokrok v oblasti elektromotorů a generátorů.

Postupem času bylo vymyšleno mnoho dalších typů elektromotorů spolu se strukturami, které lze považovat za archetypální stejnosměrný motor.

Následně, v roce 1872, nebyl praktický elektromotor ani tak vynalezen, jako spíše objeven, když se jeden z generátorů vystavených na vídeňské světové výstavě začal samovolně otáčet poté, co byl náhodně připojen k jinému generátoru. To vedlo lidi k tomu, aby si uvědomili, že způsob fungování generátorů lze použít také v motorech. Rychlý růst, který následoval v praktickém využití generátorů, byl takový, že se staly základem mnoha průmyslových odvětví ve 20. století.

Elektrické motory a generátory

Zatímco elektromotory přeměňují elektrickou energii na rotaci a jiné formy mechanické energie, generátory plní opačnou roli při přeměně mechanické energie na elektrickou energii. Navzdory těmto opačným funkcím jsou motory a generátory velmi podobné v konstrukci a principu činnosti. Ve skutečnosti stačí jednoduchý experiment, ve kterém jsou dva modelové motory spojeny dohromady, aby se ukázalo, že elektromotor může fungovat také jako generátor. Přirozeně, vzhledem k různým způsobům jejich použití, byly tyto dva typy strojů vždy vyvíjeny odděleně.

Typy elektromotorů

Elektromotory přicházejí v mnoha různých formách v závislosti na typu toku proudu, který používají, na konstrukci jejich cívek (vinutí) a na tom, jak generují magnetické pole. Podle toho je lze kategorizovat mnoha různými způsoby. Níže jsou popsány tři typy elektromotorů běžně používaných jak v domácnosti, tak v průmyslu.

Stejnosměrné motory

Jedná se o motory poháněné stejnosměrným zdrojem. Jsou seskupeny do kartáčových nebo bezkomutátorových (BLDC) motorů v závislosti na tom, zda používají kartáče *1. Zatímco kartáčované stejnosměrné motory potřebují ke svému běhu pouze připojení ke stejnosměrnému zdroji napájení, bezkomutátorové stejnosměrné motory vyžadují snímač k určení orientace *2 magnetických pólů rotoru a hnací obvod, který dodává příslušný proud.