Φύλλο Εργασίας 11. Από τον Ηλεκτρισμό στο Μαγνητισμό Ένας Ηλεκτρικός (ιδιο-)κινητήρας

Transcript

1 Φύλλο Εργασίας 11 Από τον Ηλεκτρισμό στο Μαγνητισμό Ένας Ηλεκτρικός (ιδιο-)κινητήρας α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι Αυτή η μαθηματική εξίσωση, με τα περίεργα σύμβολα, διδάσκεται στο πανεπιστήμιο. Στο δημοτικό σχολείο την έχετε εκφράσει με λόγια, "από τον ηλεκτρισμό στο μαγνητισμό". Έχετε μάλιστα κάνει και σχετικά πειράματα. Θα τη διδαχθείτε και εσείς, πολύ αργότερα, έτσι. Είναι ένα παράδειγμα θέματος που διδάσκεται με διαφορετικούς τρόπους σε κάθε βαθμίδα εκπαίδευσης. Σε αυτήν την περίεργη μαθηματική εξίσωση βασίζεται η λειτουργία των ηλεκτρικών κινητήρων που κινούν πολλές μηχανές και συσκευές και έχουν συμβάλει στη δημιουργία του σημερινού τεχνολογικού μας πολιτισμού. Παρατήρησε τις παρακάτω εικόνες και ξεχώρισε ποιες από αυτές τις μηχανές, τις συσκευές ή τα εργαλεία κινούνται ή λειτουργούν με ηλεκτρικούς κινητήρες. Η παραπάνω εξίσωση είναι μία από τις εξισώσεις του Maxwell, γνωστή ως νόμος του Ampere και περιγράφει το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ηλεκτρικό ρεύμα είτε από μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Λειτουργούν με ηλεκτρικούς κινητήρες : Το υποβρύχιο, το ηλιακό αυτοκίνητο, ο ανεμιστήρας, τα δράπανο, η μίζα ηλεκτρικά παράθυρα υαλοκαθαριστήρες στα αυτοκίνητα, το ηλιακό ρολόι και η ανεμογεννήτρια [1]

2 στην οποία υπάρχει κινητήρας μετατροπέας της κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Τα μη ηλεκτρικά αυτοκίνητα λειτουργούν με άλλα καύσιμα, όπως και το ρολόι της εικόνας είναι μηχανικό και λειτουργεί με ελατήρια. β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους συμμαθητές σου για τον τρόπο λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων και γράψε τις υποθέσεις σου. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε συσκευές και μηχανήματα στα οποία έχουμε μεταροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε κινητική. Όταν ένας αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα αποκτά μαγνητικές ιδιότητες, αν βρεθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από έναν μαγνήτη ή ηλεκτρομαγνήτη, αλληλεπιδρά με αυτό και ασκούνται πάνω του ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις (Ζεύγη δυνάμεων Laplace), που προκαλούν την κίνηση. γ. Ενεργώ, Πειραματίζομαι Συγκέντρωσε τα απαραίτητα υλικά και όργανα, κατασκεύασε έναν απλό ηλεκτρικό κινητήρα ακολουθώντας τις οδηγίες και πειραματίσου: Υλικά / όργανα: μπαταρία 1,5 volt, 2 μεταλλικές παραμάνες, κολλητική ταινία, 2 κυλινδρικοί ισχυροί μαγνήτες, μονωμένο χάλκινο καλώδιο (2 μέτρα), κοπίδι Ιδιοκατασκευή / Πείραμα Τύλιξε το καλώδιο γύρω από τη μπαταρία όπως στη διπλανή εικόνα περίπου 15 με 20 φορές, ώστε να δημιουργηθεί ένα μικρό πηνίο. [2]

3 Αφαίρεσε το πηνίο από την μπαταρία και τύλιξε τα άκρα του πηνίου αντιδιαμετρικά στο πηνίο, όπως στη διπλανή εικόνα. Με το κοπίδι ξύσε το ένα άκρο του καλωδίου σε όλη του την επιφάνεια και το άλλο μόνο την μια πλευρά. Στερέωσε τις παραμάνες στα άκρα της μπαταρίας με την κολλητική ταινία, όπως στη διπλανή εικόνα. Τοποθέτησε τους μαγνήτες στο κέντρο της μπαταρίας και πέρασε το κάθε άκρο του σύρματος του πηνίου μέσα από το πάνω κυκλικό άκρο κάθε παραμάνας, όπως στη διπλανή εικόνα. Τι παρατηρείς; Παρατηρούμε ότι όταν ένα πηνίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα περιστρέφεται. δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω Γράψε τα συμπεράσματά σου για τον τρόπο λειτουργίας του ηλεκτρικού κινητήρα. Το διπλωμένο σύρμα έχει σχηματίσει πηνίο και όταν μέσα από αυτό περάσει το ηλεκτρικό της μπαταρίας τότε μετατρέπεται σε ηλεκτρομαγνήτη. Μεταξύ του ηλεκτρομαγνήτη και του φυσικού μαγνήτη που έχουμε τοποθετήσει κάτω από το πηνίο, ασκούνται μαγνητικές δυνάμεις οι οποίες το αναγκάζουν να περιστραφεί. [3]

4 Αναζήτησε κι άλλες ηλεκτροκίνητες συσκευές. Αφαιρώντας με την άδεια του/της καθηγητή/τριάς σου το περίβλημα κάποιων από αυτές οι οποίες έχουν αχρηστευθεί και ΔΕΝ είναι συνδεδεμένες στον ρευματοδότη (πρίζα), εντόπισε την ηλεκτρική πηγή και τον τρόπο τροφοδοσίας τους με ηλεκτρικό ρεύμα. Αναγνώρισε τα διάφορα τμήματα του ηλεκτρικού τους κινητήρα (πηνίο, μαγνήτες, άξονας περιστροφής ) γενικεύοντας τα συμπεράσματά σου. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες των διαφόρων συσκευών έχουν ακίνητους μόνιμους μαγνήτες (στάτορες) και πηνία που τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα,προσαρμοσμένα στον άξονα περιστροφής(ρότορες). Ζωγράφισε πρόχειρα τα διάφορα τμήματα ενός από τους παραπάνω ηλεκτρικούς κινητήρες και ονόμασέ τα. Ρότορας Στάτορας Σχολίασε τη συμβολή των ηλεκτρικών κινητήρων στη διαμόρφωση του σημερινού τεχνολογικού πολιτισμού μας και στη βελτίωση της ποιότητας της ζωής μας. Ηλεκτρικούς κινητήρες χρησιμοποιούμε σε : ψυγεία, πλυντήρια, μίξερ, ανεμιστήρες,. ηλεκτρικές σκούπες,ηλεκτρικούς γερανούς, ανελκυστήρες, γωνιακοί τροχοί, δισκοπρίονα, ηλεκτρικά τρένα, τρόλεϊ, τράμ κ.λ.π. [4]

5 Στους περισσότερους ηλεκτρικούς κινητήρες του εμπορίου, σε ειδικά μεταλλικά πλαίσια αναγράφονται τα χαρακτηριστικά στοιχεία της λειτουργίας τους. Πληροφορήσου, συζήτησε με τον/την καθηγητή/τριά σου και γράψε τι σημαίνουν, για παράδειγμα: 220 / 380 V : Τάση τροφοδοσίας κινητήρα. 50 Hz : Συχνότητα ηλεκτρικού ρεύματος. 2,75 A : Ενταση ρεύματος που διαρρέει τον κινητήρα σε λειτουργεία RPM : Ταχύτητα περιστροφής κινητήρα σε στροφές ανά λεπτό. 1,1 kw / 1,5 HP : Ισχύς του κινητήρα. (Ιδιο)κατασκεύασε και άλλους απλούς ηλεκτρικούς κινητήρες ακολουθώντας τις οδηγίες και πειραματίσου. Ιδιοκατασκευή / Πείραμα +1 Υλικά / όργανα: λεπτό χάλκινο σύρμα, δύο ισχυροί μαγνήτες νεοδυμίου, κυλινδρική μπαταρία Διαμόρφωσε ένα κομμάτι λεπτού χάλκινου σύρματος στο σχήμα που φαίνεται στην εικόνα αριστερά. Προσάρμοσε δύο μαγνήτες νεοδυμίου στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας. Στήριξε προσεκτικά το σύρμα πάνω στο θετικό πόλο της μπαταρίας, όπως στην εικόνα δεξιά, προσέχοντας ώστε οι δυο άκρες του σύρματος να είναι σε επαφή με τους μαγνήτες. Τι παρατηρείς όταν αφήσεις το σύρμα να ισορροπήσει επάνω στη μπαταρία; Παρατηρούμε ότι το σύρμα περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της μπαταρίας, δηλαδή κατασκευάσαμε ένα ηλεκτρικό κινητήρα. [5]

6 Ιδιοκατασκευή / Πείραμα +2 Υλικά / όργανα: καλώδιο, δύο ισχυροί μαγνήτες νεοδυμίου, κυλινδρική μπαταρία, μεταλλική βίδα, μονωτική ταινία Γύμνωσε τα δύο άκρα ενός μικρού κομματιού καλωδίου. Στερέωσε με μονωτική ταινία το ένα άκρο του καλωδίου στο θετικό πόλο της μπαταρίας, φροντίζοντας να είναι σε ηλεκτρική επαφή. Προσάρμοσε τους δύο μαγνήτες στο κεφάλι της βίδας. Πλησίασε την άκρη της βίδας στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας κρατώντας και τη βίδα και τη μπαταρία κατακόρυφα, όπως φαίνεται στις εικόνες. Αφήνοντας τη βίδα με τους μαγνήτες διαπίστωσε ότι η βίδα με τους μαγνήτες έλκεται από τον μεταλλικό πόλο της μπαταρίας. Πλησίασε το άλλο άκρο του καλωδίου στους μαγνήτες ώστε να έρθει σε επαφή με αυτούς. Τι παρατηρείς; Παρατηρούμε ότι η βίδα με τους μαγνήτες περιστρέφονται μαζί γύρω από τον άξονά τους. Ιδιοκατασκευή / Πείραμα +3 Υλικά / όργανα: καλώδιο, 6-7 ισχυροί μαγνήτες νεοδυμίου, μπαταρία 9 V, ποτήρι, νερό, αλάτι Κόψε τρία κομμάτια από το καλώδιο, γύμνωσέ τα όπου και όσο χρειάζεται και διαμόρφωσέ τα όπως φαίνεται [6]

7 στην εικόνα αριστερά. Τοποθέτησε στο ποτήρι μια στήλη από 6 ή 7 μαγνήτες. Ρίξε στο ποτήρι αλατόνερο, δηλαδή νερό στο οποίο έχεις διαλύσει με ανάδευση αλάτι. Σύνθεσε την πειραματική διάταξη που φαίνεται στην εικόνα δεξιά. Τι παρατηρείς; Παρατηρούμε ότι η ελεύθερη άκρη του σύρματος που κρέμεται από το καλώδιο, κινείται κυκλικά γύρω από την στήλη των μαγνητών. [7]