در عرض چند دقیقه موتور بسازید

هم‌نشینی با علم > یک تجربه > در عرض چند دقیقه موتور بسازید

تاریخ انتشار: ۱۸ دی ۱۳۹۹

problem

می‌خواهیم با یک باتری و چند آهن‌ربا و یک تکه سیم، موتوری ساده بسازیم! در این آزمایش با بعضی خواص الکتریسیته و مغناطیس آشنا می‌شویم، خاصیت‌هایی که در زندگی روزمره‌ی ما حضور دارند و در وسایل مختلف زندگی از آنها استفاده می‌شود.

دست به کار شوید!

۱

این وسایل را آماده کنید:

  • سیمی فلزی (مس یا قلع) به طول حدود ۳۰ سانتی‌متر (سیم‌های لحیم که در بازار یافت می‌شوند برای این‌کار مناسب‌اند)
  • یک باتری قلمی
  • چند آهن‌ربای کوچک و قوی فلزی با قطر حدود یک سانتی‌متر یا کوچک‌تر (آهن‌رباهای نئودیمیمی که در بازار یافت می‌شوند برای این کار مناسب‌اند)

۲

در دو سر سیم دایره‌هایی به قطر آهن‌رباها ایجاد کنید. مانند شکل، در وسط سیم فرورفتگی‌ای درست کنید.

۳

بعد دو حلقه‌ی سیم را دور آهن‌رباها قرار دهید به طوری که هم با آهن‌ربا در تماس باشد و هم آزادانه دور آن بچرخد.

۴

حالا باتری را روی آهن‌رباها قرار دهید و بخش فرورفته‌ی سیم را روی مرکز سر مثبت باتری بگذارید.

۵

دستتان را بردارید و بگذارید سیم آزاد باشد. چه اتفاقی می‌افتد؟ چرا سیم می‌چرخد؟ بعد از مدتی که سیم می‌چرخد با احتیاط آن را لمس کنید، چه حسی می‌کنید؟ باتری را هم لمس کنید!

آزمایش را با تغییرهای زیر تکرار کنید و نتیجه را بررسی کنید: گذاشتن باتری قوی‌تر، تغییر تعدادآهن‌رباها، تغییر جنس سیم.

آهن‌رباها را سر و ته کنید و آزمایش را تکرار کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟

توجه: سعی کنید آزمایش را روی سطحی صاف انجام بدهید طوری که باتری روی آهن‌رباها در تعادل باشد. هنگام سرهم کردن آزمایش به این دقت کنید که جریان از باتری برقرار باشد یعنی دو سر سیم با آهن‌رباها و سر فرورفته‌ی سیم با باتری در تماس باشند. اگر سیم شروع به چرخش نکرد اول اتصال‌ها را بررسی کنید و بعد سعی کنید از باتری قوی‌تر یا آهن‌ربای قوی‌تر استفاده کنید.

باز هم توجه: شما بین دو سر باتری اتصال مستقیم برقرار کرده‌اید در نتیجه خیلی زود و بعد از حدود یکی دو دقیقه کار کردن باتری خالی می‌شود.

چطور اتفاق افتاد؟

چرا سیم شروع به چرخش کرد؟ نقش باتری و آهن‌ربا چیست؟

برای آشنایی با جزییات این آزمایش باید با خاصیتی در طبیعت آشنا شویم که حدود دویست سال است بشر آن را مشاهده کرده است و می‌شناسد. این خاصیت به ارتباط جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی برمی‌گردد و پدیده‌های مختلفی را شامل می‌شود، از جمله این آزمایشی که انجام دادیم.

اگر از سیمی جریان الکتریکی بگذرد و آن سیم در میدان مغناطیسی (کنار آهن‌ربا) قرار داشته باشد، به این سیم نیرویی وارد می‌شود! اندازه‌‌ی این نیرو به چند عامل بستگی دارد: ۱- شدت جریان الکتریکی، این شدت به این وابسته است که باتری‌ای که استفاده می‌کنید چقدر قوی است و سیم‌هایتان چقدر رسانای خوبی هستند، ۲- طول سیمی که جریان از آن می‌گذرد، ۳- شدت میدان مغناطیسی، یعنی قدرت آهن‌ربایی که به کار می‌برید و ۴- این‌که سیم با چه زاویه‌ای در میدان مغناطیسی قرار گرفته است. جهت این نیرو به جهت جریان الکتریکی و جهت میدان مغناطیسی بستگی دارد.

حالا با شناختن این پدیده دوباره به آزمایشی که انجام دادیم توجه کنید. جهت جریان در سیم‌ها از قطب مثبت باتری به قطب منفی آن است:

 

آهن‌رباها در اطراف خود میدان مغناطیسی‌ درست می‌کنند. شکل زیر جهت میدان مغناطیسی را در اطراف آهن‌رباها نشان می‌دهد. هرچه تعداد آهن‌رباهایی که به کار می‌بریم بیشتر باشد میدان مغناطیسی حاصل قوی‌تر است.

 

حال سیم را مطابق شکلی که دیدیم به باتری متصل می‌کنیم تا از آن جریان بگذرد. در این صورت، آهن‌رباها به سیم نیرو وارد می‌کنند. جهت نیروی وارد بر سیم را می‌شود با روشی ساده به دست آورد. شست دست راست را در جهت جریان بگیرید و انگشتان را در جهت میدان مغناطیسی. جهت نیرو به سمت خارج از کف دست شما خواهد بود. البته چون جهت میدان مغناطیسی در چپ و راست باتری با هم فرق دارد، جهت نیرو هم در این دو سمت فرق دارد. در سمت راست، سیم را به طرف ما هُل می‌دهد و در سمت چپ به طرف مقابل ما هُل می‌دهد و همین باعث چرخش سیم می‌شود.

 

وقتی جهت آهن‌ربا‌ها را برعکس می‌کنیم جهت میدان مغناطیسی عوض می‌شود و در نتیجه جهت نیروی وارد بر سیم‌ها تغییر می‌کند و این بار سیم در خلاف جهت قبلی می‌چرخد. استفاده از باتری قوی‌تر، جریان قوی‌تری در سیم‌ها برقرار می‌کند و در نتیجه نیروی وارد بر آنها بیشتر شده و سریعتر می‌چرخند. هم‌چنین افزایش تعداد آهن‌رباها شدت میدان مغناطیسی را بیشتر می‌کند و باعث افزایش نیرو می‌شود.

وقتی از سیم‌ها و باتری مدتی جریان می‌گذرد مقداری از انرژی الکتریکی به صورت گرما در سیم‌ها و باتری تلف می‌شود و سیم‌ها و باتری گرم می‌شوند، امتحان کنید!

این وسیله که ساختیم به نوعی موتور الکتریکی است. البته طرز کار آن با موتورهای الکتریکی که روزمره می‌‌شناسیم متفاوت است ولی از این جهت شباهت دارد که انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی (چرخشی) تبدیل می‌کند و از اثر میدان مغناطیسی بر جریان الکتریکی استفاده می‌کند.

جالب است بدانید…

از خاصیت‌های الکتریسیته و مغناطیس در ساخت بسیاری وسایل استفاده می‌شود مثل توربین‌های تولید برق. مثلاً اگر سیمی از کنار آهن‌ربایی حرکت کند طوری که خطوط میدان مغناطیسی را قطع کند، در سیم جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. اگر سیم ثابت باشد و آهن‌ربا حرکت کند نیز همین اتفاق می‌افتد. از این خاصیت در ساخت توربین‌های مولّد برق استفاده می‌شود. در توربین‌ها با کمک آب یا باد یا سوخت‌های فسیلی، سیم‌پیچ‌هایی که در کنار آهن‌رباهای بزرگی هستند به حرکت در می‌آیند و با این حرکت، جریان الکتریکی در سیم‌ها ایجاد می‌شود. تصویر زیر توربین‌های بادی منجیل در استان گیلان را نشان می‌دهد.

FarajzadehTehrani, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

موتورهای الکتریکی وسایل دیگری هستند که با الکتریسیته و مغناطیس کار می‌کنند و در کولر، هم‌زن برقی، پنکه و … وجود دارند. موتورها برعکس مولّدهای برق عمل می‌کنند و انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی تبدیل می‌کنند.