Nejjednodušší elektromotor

Tipněte si, kolik stačí součástek na sestrojení nejjednoduššího elektromotoru: čtyři. Je to baterie, vrut, neodymový magnet a kousek tenkého měděného drátu. Jak to vypadá, co to umí a proč?

Problém

Poniklovaný diskový magnet přichytíme na hlavičku železného vrutu a i se vrutem zavěsíme špičkou pod tužkovou baterií (má obal z niklu). Přitiskneme‑li měděný drátek jedním koncem k hornímu pólu baterie a druhým koncem polechtáme na obvodu magnet, roztočí se magnet i s vrutem a dlouho se pak točí i bez kontaktu. Čím to je?

Rozbor a řešení

Magnet je poniklovaný, a proto je na povrchu vodivý. Dotykem drátku se uzavře elektrický obvod (červeně ABCDE, a ovšem i uvnitř baterie EA). Dejme tomu, že nahoře u A je kladný pól baterie a magnet má nahoře u C severní pól. Magnetické siločáry (modré) procházejí vzhůru tělem magnetu ve směru jeho osy, vystupují horní podstavou, procházejí hlavičkou vrutu a vycházejí prakticky kolmo z těla vrutu do vzduchu; ohýbají se dolů a vracejí se spodem do dolní podstavy magnetu (obr. 1).
Celý vrut s magnetem se může volně otáčet. V úsecích B (dotykový bod drátku a magnetu), C (styčný bod magnetu a vrutu) a E (dotykový bod vrutu a baterie) jím teče elektrický proud. Je tam však zároveň také magnetické pole, a proto na vrut působí síla (zelená šipka). Ta je v každém bodě kolmá jak k tečně (modré) k magnetické siločáře, tak i k tečně (červené) ve směru toku proudu (obr. 2). V našem případě v rovině řezu (v rovině papíru) je tedy všude orientována od čtenáře, kolmo od papíru dolů. Tato síla působí jen na jedné straně (na pravé) od svislé osy symetrie baterie – vrut – magnet a nutí proto pohyblivé části – magnet s vrutem – k otáčení kolem této osy (zde ve směru pohybu hodinových ručiček při pohledu zdola).

Podrobnosti

V úseku BC je síla prakticky nulová, protože uvnitř magnetu jsou magnetické siločáry prakticky všude rovnoběžné s jeho osou, takže skoro žádná siločára nevychází z magnetu ven. Zato v CD vychází většina siločar ze železa (z vrutu) do vzduchu, a zde je proto i „hlavní hnací síla“ našeho motoru. Dotkneme‑li se až těla vrutu, točí se motorek také, ale mnohem méně; síla by byla, ale její otáčivý moment je malý, protože síla působí příliš blízko osy. Podobně, dotkneme‑li se magnetu zdola poblíž osy, točí se motorek méně ochotně – proud tekoucí od místa dotyku k obvodu „pohání“ motorek opačným směrem. Pokud bychom se dotkli přesně uprostřed dolní základny, nebyl by vůbec důvod k otáčení.

K zamyšlení

Motorek se točí setrvačností ještě dlouho poté, co jsme se dotkli vodičem magnetu. Proč? – Jeho „ložisko“ – bod E – má totiž jen minimální tření a tření o vzduch je též zanedbatelné.

Otočíme‑li baterii „hlavou holů“, přisajeme‑li vrut na kladný pól a šňůru vedeme od záporného (nyní horního) pólu, točí se motorek také, ale obráceným směrem. Dovedete vysvětlit proč?

Zkušenější pozorovatelé mohou mít i další otázky:

• Bylo by to jasné, kdyby magnetické pole „stálo“, ale jaký nový efekt nastává, když se magnet sám také točí?

Žádný. Pole magnetu rotujícího kolem své osy souměrnosti je přesně stejné jako pole magnetu stojícího.

• V elektromotorech je vždy točivé magnetické pole. Kde ho tady najdeme?

Tady je jakoby v každém okamžiku jediný závit vedoucí proud. Roli komutátoru přepínajícího v obvyklém elektromotoru skupinu cívek na rotoru zde hraje klouzavý kontakt vymezující vždy novou vodivou dráhu.

Praktické pokyny

Vrut nesmí být příliš krátký (magnet by se přitáhl tak, že by vrut byl vodorovně a nikoli svisle). Nemůže být ani příliš dlouhý proto, aby nebyl příliš těžký a aby ho magnet unesl. Pozor, aby byl opravdu železný (a tedy magnetický a elektricky vodivý) a aby neměl zdeformovanou či rezavou špičku (měl by velké tření při otáčení).

Je také třeba dát pozor na to, aby se vrut nepřisál k baterii v místě, kde je špatný elektrický kontakt (rez) nebo kde by měl velké tření (např. bokem těla o nevodivý obal při obvodu dna).

Motorek odebírá značný proud. Je proto dobře vždy použít čerstvou baterii, a to nejraději alkalickou nebo lithiovou (Energizer LR6). Napájíme‑li z jiného zdroje (např. řízeného generátoru), je třeba uvážit vysoký potřebný proud; má‑li řízený zdroj nastavitelné proudové omezení, nastavte je dosti vysoko.

Neodymové magnety jsou křehké; je to vlastně slisovaný hrubozrnný prášek. Kdyby spadl z velké výšky na tvrdou podlahu anebo (u větších kusů) kdyby přiletěl na jiný neodymový magnet, mohl by snadno úderem prasknout.

---

Kde může být k vidění

Prototyp nejjednoduššího elektromotoru vytvořil autor článku pro Národní technické muzeum v Praze. NTM nyní prochází přestavbou, takže nevíme, je‑li tam uvedený motorek možno vidět a pohrát si s ním. Je ale tak jednoduchý na výrobu, že si jej může udělat doma každý. A Národní technické muzeum zaslouží návštěvu v každém případě. V létě jej například vzali útokem zaměstnanci energetiky se svými rodinami a dětmi. Byla to součást akce „Kdo jiný… může přivést dítě k zájmu o techniku, když ne ty, táto, mámo, kteří v energetice pracujete!“

Poznámka redakce: O stavbě jiného jednoduchého elektromotorku jsme psali v http://www.www.www.3pol.cz/cz/rubriky/biografie/131-pradedecek-elektromotor