Domowe Eksperymenty Fizyczne
Jak to działa?
Jeszcze jeden niezwykły silnik
W tym odcinku zajmiemy się jeszcze jednym niezwykłym silnikiem elektrycznym wykorzystującym oddziaływanie prądu elektrycznego płynącego przez elektrolit z polem magnetycznym.

Rys. 1 Schemat silnika w przekroju pionowym; 1 – butelka, 2, 3 – elektrody, 4, 5 – przewody, 6 – wspornik, 7 – oś, 8 – kołek oporowy, 9 – wirnik, 10 – elektrolit.

Rys. 2 Budowa wirnika; 1 – ramię wirnika, 2 – dolna część zatrzasku krawieckiego, 3 – magnes, 4 – taśma klejąca, N, S – bieguny magnetyczne.

Rys. 3
– siły działające na końce wirnika,
– indukcja pola magnetycznego.
Budowę silnika przedstawia rysunek 1. Pracę zaczynamy od odcięcia górnej
części butelki, a w pobliżu dna butelki wykonujemy otwór o średnicy
nieco większej niż średnica przewodu połączeniowego. Około 1 cm poniżej
górnej krawędzi butelki przebijamy 3 symetrycznie rozmieszczone otwory
o średnicy nieco większej niż średnica patyczka do szaszłyków. Z folii
aluminiowej wycinamy elektrody: dwa koła o średnicy o
cm
mniejszej od średnicy butelki. Z końcówek dwóch przewodów
połączeniowych usuwamy izolację. Po jednej odizolowanej końcówce każdego
z tych przewodów mocujemy do elektrod zszywaczem biurowym (aluminium
nie daje się lutować bez specjalnych odczynników). Po jednej stronie
każdej z elektrod naklejamy kawałki taśmy klejącej, pokrywając nimi całą
powierzchnię elektrody. Ta warstwa izolacyjna taśmy zapobiegnie przepływowi
tzw. prądów błądzących.
Z patyczka od szaszłyków sporządzamy wspornik, ramię wirnika oraz kołki
oporowe. W tym celu odcinamy jeden kawałek o długości nieco mniejszej niż
połowa wysokości butelki, drugi kawałek krótszy o kilka mm od średnicy
butelki i trzy kawałki o długości około 1 cm. W koniec wspornika wciskamy
ostrze igły, a następnie ją wyciągamy i w powstały otwór wciskamy jej tępy
koniec. Igłę, która posłuży jako oś, należy wcisnąć na głębokość
około
cm, używając do tego celu kombinerek. W środku
jednej z elektrod wykonujemy otwór o średnicy nieco większej niż
średnica wspornika. W ten otwór wsuwamy od strony nieoklejonej
taśmą koniec wspornika bez igły na głębokość około
cm
i przyklejamy go prostopadle do powierzchni elektrody. Zagłębienia dna butelki
wypełniamy plasteliną i wkładamy do butelki elektrodę ze wspornikiem.
Przymocowany do niej przewód przekładamy przez otwór w pobliżu
dna butelki. Elektrodę dociskamy do plasteliny, a miejsce przełożenia
przewodu przez butelkę uszczelniamy klejem epoksydowym. Trzy kołki
oporowe wsuwamy w otwory w pobliżu górnej krawędzi butelki, tak
żeby ich dłuższe części były wewnątrz butelki, i mocujemy klejem
epoksydowym.
Następnie wykonujemy wirnik silnika (Rys. 2). W połowie długości ramienia wirnika wypalamy rozgrzanym do czerwoności gwoździem otwór przechodzący wzdłuż średnicy patyczka. Nad otworem przyklejamy klejem epoksydowym dolną część zatrzasku krawieckiego, która posłuży jako łożysko oporowe. Składamy dwa jednakowe zespoły magnesów liczące po 2-4 sztuk. Każdy zespół powinien mieć długość mniejszą niż połowa ramienia, a magnesy w nim powinny być zwrócone do siebie biegunami różnoimiennymi. Zespoły te przyklejamy symetrycznie po obu stronach ramienia taśmą klejącą owiniętą wokół magnesów i patyczka, tak by jednoimienne bieguny magnesów były zwrócone ku osi wirnika, a dolna część zatrzasku znajdowała nad magnesami. Gotowy wirnik nakładamy na oś, wprowadzając ostrze igły do zatrzasku. Jeżeli wirnik przechyla się w którąś stronę, to jego przeciwny koniec należy dociążyć plasteliną. Butelkę napełniamy powyżej kołków oporowych nasyconym roztworem soli kuchennej, stanowiącym elektrolit, a na kołki nakładamy drugą elektrodę, odizolowaną stroną ku dołowi. Wolne końce obu przewodów połączeniowych odizolowujemy i dołączamy do biegunów baterii R20.
Wirnik zaczyna się wówczas obracać. Aby wyjaśnić przyczynę tego ruchu,
zauważmy, że każde z ramion wirnika możemy traktować jako układ
sztywno połączonych dipoli magnetycznych znajdujących się w polu
magnetycznym wytwarzanym przez prąd płynący w elektrolicie. Ponieważ
natężenie prądu przepływającego przez ustawione doń prostopadle koło
o promieniu
jest proporcjonalne do
więc, zgodnie z prawem
Ampère’a, indukcja pola magnetycznego wytwarzanego przez ten prąd jest
proporcjonalna do odległości od osi butelki (którą traktujemy dla uproszczenia
jako nieskończenie długi walec). Oznacza to, że siła działająca na zewnętrzny
koniec układu dipoli ma większy moment niż siła działająca na koniec
wewnętrzny (z uwagi na sztywność wirnika pozostałe siły równoważą się)
i na każde z ramion działa wypadkowy moment siły o takim samym kierunku
i zwrocie.
Silnik pracujący według przedstawionej zasady został opisany przez autora w American Journal of Physics (70 (2004), 455-8) oraz zastrzeżony w Urzędzie Patentowym RP (opis patentowy nr 206849). Jednak uzyskanie patentu nie zabrania Czytelnikom budowania takiego silnika dla celów badawczych – wykupienie licencji konieczne jest tylko w przypadku produkcji urządzenia w celach komercyjnych.