САМОДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Раздел: Образование

Замечательные свойства магнитов

В глубокой древности люди узнали, что куски железной руды, добываемой возле города Магнезии, могут притягивать к себе железные предметы. Это удивительное свойство назвали по имени города магнетизмом, а куски руды — магнитами. С тех пор прошло много веков. Время и войны разрушили город Магнезию, и козы пасутся на холмах, где он стоял. Но людям нужно было все больше железа, и по всей земле искали они залежи железных руд. Некоторые из найденных руд оказались такими же магнитными, как диковинная руда из Магнезии. Древнее слово «магнит» продолжало жить в языках разных народов.

Оказалось, что если положить магнит на дощечку и пустить плавать, то он всегда поворачивается одним концом к северу, другим — к югу. Так родился первый компас. 'Конец магнита, который смотрит на север, назвали северным полюсом, другой — южным. 

Сейчас магниты делают из особых сортов стали. Такой магнит действует гораздо сильнее, чем кусок руды. Достаточно приблизить его к лежащим на столе железным опилкам, как опилки начинают шевелиться, потом подскакивают и прилипают к его полюсам. Значит, что-то происходит вокруг магнита, и нетрудно даже увидеть, что именно.

Напилите побольше железных опилок и просейте их через мелкое сито. Положите на стол обыкновенный подковообразный магнит, накройте его листком плотной белой бумаги и посыпьте бумагу опилками. Ничего особенного не замечаете? Постучите по бумаге пальцем, чтобы опилкам легче было передвигаться по ней, и вы увидите, что опилки составят какие-то ясно различимые цепочки. Тут не может быть никакого сомнения: тонкие цепочки соединили полюсы магнита. И вокруг магнита опилки расположились в определенном порядке: они поместились плотнее у полюсов, а чем дальше, тем менее плотно ( 1).

Физики назвали пространство вокруг магнита магнитным полем, а линии, по которым располагаются опилки,— силовыми линиями магнитного поля.

С помощью железных опилок вы можете увидеть, что происходит с магнитным полем, когда к полюсам магнита приближается железный предмет. Подложите под бумагу вблизи полюсов небольшой железный ключик, постучите по бумаге — и вы увидите, что опилки быстро перестроятся в новую фигуру. Они сгустятся вокруг ключика, загнутся к нему: магнит притягивает ( 2).

Еще интереснее получается, если положить перед полюсами подковы небольшой намагниченный стержень. Таким стержнем может служить иголка, обломок стальной спицы, кусок пружины от будильника и т. п. Чтобы намагнитить стержень, проведите по нему несколько раз одним из полюсов магнита. Проводить нужно с нажимом и только в одном направлении.

Подложив стержень к полюсам магнита, постучите по бумаге. Если около северного полюса подковообразного магнита оказался северный полюс стержня, цепочки опилок очень интересно перестроятся. От северного полюса магнита линии поля загнутся, обойдут северный полюс стержня и пойдут к его южному полюсу. Они «не хотят» соединяться с северным полюсом. Зато к этому полюсу стержня пойдут почти прямые линии от южного полюса подковы ( 3). Разноименные полюсы притягиваются друг к другу, а одноименные — отталкиваются. Не будь трения, стержень повернулся бы.

Но идут ли линии поля вокруг магнита во все стороны? Можете проверить. Укрепите магнит на столе полюсами кверху. Покройте полюсы листком бумаги, насыпьте опилки и постучите по листку. Снова опилки образуют цепочки и покажут расположение сило- , вых линий поля. Значит, не только вдоль, но и поперек полюсов вокруг магнита идут линии поля; значит, наверняка идут они во все стороны. Чтобы окончательно в этом убедиться, сделайте еще один опыт.

Вырежьте из плотной бумаги ма- )\ ленькую лопаточку, наберите ею немного опилок и поднесите к магниту, держа его полюсами вниз. Опилки  4. «Гнездо» из подскочат и пристанут к полюсам, опилок.          Поднесите' еще несколько порций

опилок, и на полюсах магнита повиснет целое «гнездо» ( 4).

Цепочки опилок в этом гнезде расположатся и вдоль и поперек магнита, как располагались раньше, и во всех других направлениях. Значит, действительно все пространство вокруг полюсов магнита пронизано силовыми линиями магнитного поля.

Больше ста лет назад ученые заметили, что если вставить в катушку изолированной проволоки железный прут, то он становится мощным магнитом, когда по проволоке идет ток.

Вы уже знаете, что если прикоснуться магнитом к стальной игле, она тоже становится магнитом. Игла не теряет магнитных свойств и после того, как вы отведете от нее магнит. А железо ведет себя иначе. Железный гвоздь, от которого отняли магнит, сразу «размагничивается».

Оказывается, что железный прут тоже действует как магнит только то время, пока по проволоке катушки идет ток. Железный прут в катушке — магнит не простой, а электрический, электромагнит. Выключат электрический ток — железо размагничивается.

Это было открытие огромной важности. Разве можно представить себе нашу современную технику и промышленность без электромагнитов? Не будет электромагнитов — и остановятся станки на заводах и тракторы в полях, не поедут автомобили, не полетят самолеты, умолкнут громкоговорители и электрические звонки, не побегут телеграммы по проводам, оглохнут телефоны, погаснет яркий электрический свет. Вот какой важной вещью стал электромагнит.

Когда электромагнит был только что открыт, был еще, так сказать, младенцем, его замечательные свойства уже удивляли людей. Один ученый того времени писал: «Дивишься как чуду, когда видишь, что в то мгновение,  5.Опыт С электромаг- как проволока замыкает нитом.          цепь и ток начинает идти,

якорь, отягченный грузом в восемь фунтов и более, притягивается даже с расстояния и столь же мгновенно отпадает, когда цепь размыкается».

Притяжению восьми фунтов удивлялись когда-то! А что сказать о теперешних электромагнитах, которые тянут с неслыханной силой? О магнитах, которые держат тысячи килограммов!

Вы тоже можете сделать себе небольшой электромагнит и познакомиться с его удивительными свойствами.

Возьмите железный болт длиной примерно 100 мм и

диаметром 10 мм. Намотайте на него на длине 50—60 мм медную изолированную лроволоку диаметром 0,2—0,3 мм. Мотать нужно плотно, виток к витку, сначала один ряд, на него — второй, сверху—третий, пока не намотаете 400 витков. Пойдет на это около 15 м проволоки.

Концы обмотки очистите от изоляции и присоедините к пластинкам карманной батарейки ( 5).

Испытайте, какой вес может удержать ваш самодельный электромагнит. Вы удивитесь, когда взвесите груз, который он держит. Только не оставляйте электромагнит надолго включенным, иначе батарейка истощится. Ток в обмотке электромагнита для нее слишком большая нагрузка.

Имея электромагнит и батарейку, вы сможете проделать много очень интересных опытов.

Все-таки удивительное дело: как только по проволоке проходит ток, болт становится магнитом, и к нему подскакивают со стола легкие железные и стальные предметы. А стоит выключить ток, болт сразу теряет свойства магнита, и все, что к нему подскочило, падает обратно.

Пользуясь свойством электромагнита размагничиваться, как только выключится ток, можно получить непрерывное вращение железного стержня около полюсов — сделать электрический двигатель. Раньше всех догадался об этом русский ученый Борис Семенович Якоби. В ноябре 1834 года он построил первый в мире электродвигатель ( 6). Свой двигатель Якоби установил в 1838 году на большую восьмивесельную шлюпку и — тоже впервые в истории — поплыл с электродвигателем по реке Неве. Двенадцать пассажиров помещалось в шлюпке. Ток двигателю давала батарея в 320 элементов

Наша первая модель устроена гораздо проще, чем двигатель Якоби. Мало похожа она и на современные электродвигатели. Зато на ней особенно ясно видно, как именно удается заставить железный стержень — якорь — вращаться около полюсов электромагнита.

Возьмите большой железный шуруп, намотайте на него 300 витков изолированной медной проволоки диаметром 0,2—0,25 мм и вверните в дощечку. Вырежьте из жести от консервной банки десяток полосок, проколите их все посередине и наденьте на вязальную спицу. Чтобы полоски не расходились веером, оберните концы тоже жестяными полосками. Получится якорь.

Когда якорь, продолжая поворачиваться, будет приближаться к шурупу другим концом, снова включите ток. Электромагнит опять дернет к себе якорь, но вы опять

выключите ток - якорь проскочит над шурупоми будет вращаться все время,' пока вы не перестанете включать и выключать ток.

Конечно, выключать ток руками плохо: не успеешь точно, во-время; да и какой это двигатель, если нужно все время около него стоять и проволокой прикасаться. Надо так придумать, чтобы ток сам прерывался, когда это нужно. И держать ось пальцами не годится. Нужно устроить рамку в виде буквы «П», в которой бы стояла ось.

Так можно соорудить электродвигатель. Но лучше сделать его посильнее: добавить еще один шуруп с обмоткой. Тогда при включении тока шурупы-электромагниты будут тянуть якорь сразу за оба конца. При этом хорошо поставить не два отдельных шурупа, а соединить их внизу жестяными полосками, чтобы получился подковообразный электромагнит.

Наш двигатель ( 8) можно сделать быстро. Из толстой фанеры или дощечки толщиной 10 мм вырежьте основание двигателя — квадрат 70X70 мм.

Подберите два шурупа длиной по 40 мм с плоскими головками. Шурупы хорошо взять потолще — диаметром примерно 4—6 мм. Если они будут длиннее, чем 40 мм, придется только удлинить стойки рамки, в которой держится ось. Палочки-стойки должны быть на 20 мм длиннее шурупов. Их нужно хорошо укрепить. Выдолбите в основании два отверстия, промажьте внутри клеем и заколотите палочки ( 12). Пока не высох клей, устано- новите их как можно прямее, чтобы расстояние между палочками вверху и внизу было одинаковым.

А перекладину для оси, или, как ее называют, «подшипник», лучше сделать из жести. В деревянном подшипнике ось будет вращаться плохо. Какую же нужно взять жесть для перекладины? Жесть от консервной банки, пожалуй, тонка — перекладина будет легко гнуться. А нельзя ли что-нибудь придумать, чтобы и из тонкой жести получилась прочная перекладина? Оказывается, можно.

Посмотрите на любую машину, на любое инженерное сооружение—автомобиль, мост, самолет—или даже на такие простые вещи, как ведро, чайник, ложку. Многие части их очень интересно сделаны. Вы скажете: «Конечно, в самолете, автомобиле есть много интересных частей, а где же им быть в ложке или чайнике?» И там они есть, только их не замечают.

При изготовлении всякой вещи перед инженером стоит задача сделать ее как можно проще, но прочной и легкой. А прочность и легкость всегда «воюют» между собой. Сделать, скажем, ложку толстой — получится она крепкой, но тяжелой: много металла пойдет на нее; сделать ее тонкой — весить она будет немного, но зато и гнуться будет легко. Кажется, эти две задачи никак нельзя решить одновременно, но инженеры всегда стараются сделать все, что можно. А можно многое сделать.

Посмотрите на тонкую алюминиевую ложку ( 9); видите: вдоль ручки ее идет канавка; ручка сделана выпуклой, как будто для того, чтобы казалась толстой. На самом деле это совсем не для того. Если сделать ручку ложки не выпуклой, а плоской, ложка никуда не будет годиться. Захотите вы ею набрать густое варенье из банки — она выгнется дугой; захотите есть пудинг такой ложкой — измучаетесь; только сахар в чае размешаете ею да кисель жидкий съедите. Нет, скажете вы, не нужна мне такая ложка, дайте покрепче. А ведь из того же количества алюминия можно сделать прочную ложку: нужно только выдавить вдоль ручки канавку, сделать ручку выпуклой. Оказывается, изогнутый, или, как говорят инженеры, «профилированный», мате-се гораздо прочнее плоского.

 В технике употребляют материал разных профилей — где какой выгоднее. Есть железные полосы (балки), изогнутые в виде буквы «Г» — это угловое железо. Есть изогнутые в виде буквы «П» — это швеллерное, В виде буквы «Т» — тавровое. Если два «Т» сложены вместе вот так: НЧ — это двутавровое железо. Есть железо, профилированное в виде латинской буквы «Z» («зет»); его так и называют — зетовое. Всякий знает профиль рельса, трубы, волнистого железа ( 10).

Какой профиль лучше выбрать для подшипника нашего электродвигателя? Удобнее всего швеллер. Вырежьте из жести от консервной банки заготовку, сделайте в ней прорезы по жирным линиям ( И), отогните по длине с обеих сторон края шириной 5 мм. Отогнув кверху концы средней части швеллера, вдвиньте его между стойками до самой подставки. Швеллер должен точно туда входить.

Поднимите швеллер так, чтобы обрезы отогнутых краев пришлись вровень с верхом стоек. Концы средней части швеллера обогните вокруг верх^ стоек. На них загните концы отогнутых краев швеллера. Выглядывающие снизу концы средней части загните наверх и закрепите ими края. Все это хорошо видно на  12. Подшипник получился легкий и прочный; он хорошо связывает верхушки стоек, не давая им ни сходиться, ни расходиться. Кроме того, подшипник можно снимать, а это очень важно.

Для оси подберите вязальную спицу или жесткую проволоку. Можете взять обрезок велосипедной спицы, но вязальная удобнее: у нее острый конец. Точно в центре подшипника пробейте гвоздем или шилом отверстие, в которое будет вставляться ось. Отверстие должно быть таким, чтобы ось в нем вращалась легко, но не болталась.

Во всяком электродвигателе есть две главные части: одна, неподвижная — ее называют «статор»; другая, вращающаяся — «ротор». В нашем - двигателе статор — это дощечка с палочками, подшипником и электромагнитом, а ротор — ось с якорем и прерывателем тока.

Можете браться за самую трудную часть двигателя — электромагнит.

Прежде всего наметьте на дощечке-основании места шурупов. Головки шурупов должны стоять как раз под концами полосок якоря ( 13). Когда места шурупов наметили, нарежьте из жести десять пластинок шириной 15 мм и длиной 50 мм. В этих пластинках нужно сделать вырезы по концам так, чтобы в них туго проходили шурупы. Глубину вырезов подсчитайте сами. Посмотрите на  13, и тогда все будет понятно.

Отметьте на шурупах, сколько остается места для обмотки, выверните их и оклейте одним-двумя слоями бумаги. Оклеивать нужно только там, где будет обмотка.

Если шурупы нужной вам длины оказались тонкими, придется до оклейки бумагой обмотать их жестяными лентами до толщины 6—8 мм.

Вырежьте из картона четыре кружка диаметром по 15 мм, прорежьте в них отверстия, наденьте на шурупы и приклейте. Получатся катушки, на которые удобно наматывать проволоку.

Проволока для электротехнических приборов бывает разных диаметров и изготовляется из разных материалов, но чаще всего из меди. Она имеет обычно такие обозначения: ПВО, ПБД, ПШО, ПШД, ПЭ, ПЭЛ, ПЭЛБО или еще иначе. Эти обозначения легко расшифровать. Буква «П» всегда значит: проволока; буква «Б» указывает, что

проволока изолирована (обмотана) бумажной ниткой, а буква «Ш» — шелковой ниткой. Если стоит буква «О», значит один ряд ниток в изоляции, а если буква «Д» — два ряда ниток, один на другом. Буква «Э» обозначает,после буквы «Э» стоит еще «Л», то это значит, что эмаль не простая, а лакостойкая, то-есть она не растворяется в лаках, которыми часто пропитывают готовые обмотки приборов. Марка ПБД — это проволока, изолированная бумажными нитками в два ряда. Такая комбинация, как ПЭЛБО, обозначает: проволока эмалированная, лакостойкая, сверху изолированная бумажной ниткой в один ряд. Так легко разобрать любое обозначение.

Для обмотки электромагнитов все равно, какой сорт проволоки взять, лишь бы она была изолированной и не толще^ чем 0,3 мм. Можно взять 0,2 мм или 0,25 мм. Диаметр проволоки считается без изоляции.

На каждый шуруп нужяр намотать по 250—300 витков проволоки аккуратно, виток к витку. Конец обмотки обвяжите ниткой, иначе проволока распустится.

Обмотанные шурупы можно ввернуть в основание, но сначала нужно еще сделать маленькое приспособление, для того чтобы ось правильно вращалась.

Вырежьте из жести полоску шириной 15 мм и длиной 40 мм. Изогните ее в «скамеечку» и привяжите полосками жести или проволокой к пластинкам электромагнита ( 14). В центре «скамеечки» проделайте отверстие по диаметру оси и поставьте все части на места.

Вверните шурупы и отрегулируйте положение полосок якоря на оси. Они должны проходить на расстоянии 1— 2 мм от головок шурупов.

Чем меньше будет расстояние между полосками якоря и головками шурупов, тем сильнее будет тянуть электромагнит, тем лучше, значит, будет работать двигатель. Но очень близко подводить &корь тоже нельзя: в момент включения тока электромагнит так сильно притягивает полоски, что они изгибаются и могут задеть за шурупы.  

Когда после нескольких опытов подберете наилучшее расстояние между полосками и электромагнитом, закрепите якорь на оси. Очистите от изоляции кусок проволоки диаметром 0,8—1 мм и намотайте на ось над полосками столько; чтобы ось еще можно было немного приподнять.

Остается изготовить прерыватель тока. Как его сделать, видно на  15. Это просто проволочная рамка, прикрученная к оси. Рамки касается пружинка, укрепленная в стойке подшипника.

Поставьте ротор на место и в одной из стоек, как раз на высоте рамки прерывателя, просверлите шилом отверстие. Шило лучше брать не круглое, а граненое — оно очень хорошо сверлит. Сверните из проволоки пружинку, вставьте в отверстие стойки и закрепите спичкой. Понятно, что рамка и пружинка изготовляются из проволоки без изоляции.

Тот конец пружинки, который входит внутрь ротора, нужно изогнуть таким образом, чтобы он касался рамки только тогда, когда нужно включить ток. Поставьте полоски якоря точно между винтами ( 16, слева).

В этом положении пружинка должна прикасаться к рамке. Когда полоски находятся как раз над винтами, рамка проходит, не касаясь пружинки ( 16, справа). Постарайтесь изогнуть пружинку очень точно — от этого зависит, хорошо или плохо будет работать двигатель.

Когда все хорошо отрегулируете, можете начинать испытания. Сначала попробуйте, как работает двигатель с одним включенным шурупом, а потом добавьте второй — сразу трудно правильно присоединить оба.

Нам нужно получить соединение обмотки шурупа с рамкой прерывателя. Но присоединить проволоку к прерывателю или к оси нельзя: ведь они вращаются. Можно сделать иначе. Если ось стоит на пластинках электромагнита статора и касается «скамеечки», достаточно присоединить к ним провод, и ток попадет в рамку. Один конец обмотки шурупа очистите от изоляции и плотно вставьте в щель между пластинками электромагнита.

Другой конец обмотки, тоже без изоляции, присоедините к любой пластинке батарейки карманного фонарика. К тому концу пружинки прерывателя, который выходит снаружи стойки, прикрутите кусок проволоки и присоедините ее другим концом ко второй пластинке батарейки ( 17).

Поверните рукой ось — и ротор должен сразу быстро завертеться. Если он не идет, внимательно проверьте, все ли правильно сделано: верно ли стоит рамка на оси, нет

ли где-нибудь обрыва проволоки. Двигатель обязательно должен работать.

 Когда наладите и подрегулируете пружинку, можете включить обмотку второго шурупа. Тот провод, который шел от обмотки первого шурупа к пластинкам электромагнита у «скамеечки», отсоедините и прикрутите к одному из концов обмотки второго шурупа,

Другой конец обмотки первого шурупа так и оставьте присоединенным к пластинке батарейки. Свободный конец обмотки второго шурупа присоедините к пластинкам статора около «скамеечки» ( 18, слева).

Если двигатель стал много лучше работать, значит обмотка второго шурупа включена правильно. Если совсем перестал работать, это не страшно, нужно только изменить присоединение концов обмотки. Тот провод обмотки второго шурупа, что шел к пластинкам статора, прикрутите к проводу обмотки первого шурупа, а тот, который был прикручен к этому проводу, присоедините к пластинкам статора—двигатель сразу зажужжит ( 18, справа). Смажьте ось маслом в тех местах, где она трется, и двигатель пойдет еще лучше.

Вместо батарейки можете пускать двигатель от сети городского тока — он будет лучше работать. Но, конечно, прямо в сеть включать нельзя: проволока обмоток раскалится, на ней обуглится изоляция, затем проволока совсем расплавится, могут перегореть предохранители в квартире, будет много неприятностей.

Чтобы этого не случилось, нужно понизить напряжение. Есть специальные трансформаторы для звонков. Они так и называются «звонковые». Эти понижающие трансформаторы понижают напряжение городской сети с 220 или 120 вольт до 3, 5 и 8 вольт. Конструкции их бывают различны.

На  19 показано, как включить часто встречающийся трансформатор «Гном» С обеих его сторон выпущены винты. Там, где два винта, нужно присоединить шнур с вилкой на конце. Вилка включается в штепсельную розетку, и тогда с другой стороны, где выступают три винта, можно присоединять электродвигатель.

На рисунке видно, между какими винтами у трансформатора напряжение 3, 5 и 8 вольт и как двигатель присоединяется на 8 вольт. Напряжение между тремя винтами так невелико, что до них можно спокойно дотрагиваться: ток не «ударит». Конечно, к винтам, к которым подведено напряжение в 120 вольт, дотрагиваться ни в коем случае нельзя.

Не найдете «Гнома» или другого звонкового трансформатора — можете взять те, которые ставят в радиоприемниках, и подключать двигатель к обмотке для накала нитей ламп. Можете сделать себе и специальный трансформатор по описанию в этой книге. Он будет работать еще лучше.

Наш первый двигатель получился слабеньким. Это потому, что ток по обмоткам электромагнита протекает не все время: четверть оборота ротора ток включен, четверть оборота выключен, потом опять четверть оборота включен, четверть оборота выключен. Двигатель работает только двумя толчками в течение одного оборота. От этого недостатка нетрудно избавиться.