מנוע חשמלי

• חשמל ומגנטיות
• מגנטיות והשראה
• 8 דקות קריאה

מאוורר, מכונת כביסה, רכב חשמלי והרטט בטלפון: בכולם מנוע חשמלי הופך אנרגיה חשמלית לסיבוב. כאן תראו מה מסובב אותו, למה הוא לא נעצר אחרי חצי סיבוב, ואיך מחשבים את הכוח.

התשובה בקצרה

מנוע חשמלי הופך אנרגיה חשמלית לתנועה סיבובית:

1. הכוח: על תיל שזורם בו זרם בתוך שדה מגנטי פועל כוח, F = B·I·L.
2. הסיבוב: בשתי הצלעות של הסליל הזרם זורם בכיוונים הפוכים, ולכן הכוחות עליהן הפוכים. זוג הכוחות מסובב את הסליל.
3. המחלף: בכל חצי סיבוב הוא הופך את כיוון הזרם, כך שהסליל ממשיך להסתובב לאותו כיוון.

למי זה מיועד: לתלמידי תיכון שלומדים חשמל ומגנטיות. כדאי להכיר קודם שדה מגנטי ואת כוח לורנץ, הכוח שפועל על מטען שנע בשדה מגנטי.

הכוח על תיל בשדה מגנטי

זרם חשמלי הוא מטענים שנעים בתוך התיל. על כל מטען שנע בשדה מגנטי פועל כוח לורנץ, ולכן על התיל כולו פועל כוח. הכוח ניצב גם לזרם וגם לשדה, ואת הכיוון שלו מוצאים לפי כלל יד ימין.

הכוח גדל עם השדה, עם הזרם ועם אורך התיל. כשהתיל מקביל לשדה, אין כוח בכלל.

למה הסליל מסתובב

במנוע, התיל מלופף לסליל מלבני שיכול להסתובב סביב ציר, בין שני קטבים של מגנט. בצלע אחת הזרם זורם “הלוך”, ובצלע שמולה הוא זורם “חזור”. לכן הכוחות על שתי הצלעות שווים בגודלם והפוכים בכיוונם: על אחת כלפי מעלה, ועל השנייה כלפי מטה. הם לא מזיזים את הסליל ממקומו, אבל מסובבים אותו, כמו שתי ידיים שמסובבות הגה.

הסיבוב הכי חזק כשמשטח הסליל מקביל לקווי השדה, כמו בשרטוט. כשהסליל מסתובב רבע סיבוב והמשטח שלו ניצב לשדה, שני הכוחות פועלים על אותו קו, ואין להם השפעה מסובבת. אם לא היה קורה שום דבר נוסף, הסליל היה מתנדנד סביב המצב הזה ונעצר בו.

מחלף ומברשות

הפתרון במנוע זרם ישר הוא מחלף, שנקרא גם קומוטטור: טבעת מפוצלת לשני חצאים, שכל אחד מהם מחובר לקצה אחר של הסליל. שתי מברשות קבועות, בדרך כלל מפחם, לוחצות על הטבעת ומעבירות אליה את הזרם מהסוללה. בדיוק כשהסליל עובר את המצב הניצב, החצאים מתחלפים מתחת למברשות, והזרם בסליל מחליף כיוון. הכוחות מתהפכים, והסליל ממשיך להסתובב לאותו כיוון.

החלקים של המנוע

חלק	מה הוא עושה
מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים	יוצרים את השדה המגנטי. החלק הזה עומד במקום, ונקרא סטטור
סליל על ליבת ברזל	נושא את הזרם ומסתובב. נקרא רוטור. הליבה מחזקת את השדה
מחלף	הופך את כיוון הזרם בסליל בכל חצי סיבוב
מברשות	מגע קבוע שמעביר זרם מהמקור למחלף המסתובב
ציר	מעביר את הסיבוב החוצה: לגלגל, למדחף או לתוף

כדי לקבל מנוע חזק וחלק, מלפפים הרבה ליפופים בכל סליל, ומשתמשים בכמה סלילים בזוויות שונות. כך תמיד יש סליל שנמצא במצב של כוח מסובב גדול.

הרבה מנועים גדולים, כמו במכונות כביסה ובמזגנים, עובדים בזרם חילופין ובלי מחלף. ניקולה טסלה רשם פטנט על מנוע השראה כזה ב־1888. בו השדה המגנטי עצמו מסתובב, והרוטור נגרר אחריו בעזרת זרמים מושרים.

תרגיל פתור

הנתונים: סליל מלבני עם 50 ליפופים נמצא בשדה מגנטי של 0.4 טסלה. הצלעות שניצבות לשדה באורך 10 סנטימטר, והמרחק ביניהן 5 סנטימטר. בסליל זורם זרם של 2 אמפר. משטח הסליל מקביל לקווי השדה.
השאלה: מה הכוח על כל אחת מהצלעות? ומה המומנט, ההשפעה המסובבת, על הסליל?

1. הכוח על צלע אחת של ליפוף אחד: F₁ = B · I · L = 0.4 · 2 · 0.1 = 0.08 N
2. בכל צלע יש 50 תילים זה לצד זה: F = 50 · 0.08 = 4 N
3. שני הכוחות הפוכים, וכל אחד פועל במרחק 2.5 סנטימטר מהציר: τ = 2 · 4 · 0.025 = 0.2 N·m
4. בדיקה בנוסחה של מומנט על סליל: τ = N · B · I · A = 50 · 0.4 · 2 · (0.1 · 0.05) = 0.2 N·m

התשובה: על כל צלע פועל כוח של 4 ניוטון, והמומנט על הסליל הוא 0.2 ניוטון כפול מטר. כשהסליל יסתובב רבע סיבוב, המומנט ירד לאפס, ושם המחלף יהפוך את הזרם. F = 4 N · τ = 0.2 N·m

מנועים מסביבנו

• רכב חשמלי

  ברכב חשמלי מנוע אחד או יותר מסובבים את הגלגלים ישירות או דרך תיבת הילוכים פשוטה. בבלימה המנוע יכול לעבוד הפוך, כגנרטור, ולהחזיר חלק מהאנרגיה לסוללה.

• הרטט בטלפון

  בהרבה טלפונים יש מנוע קטנטן שעל הציר שלו מחובר משקל לא מאוזן. כשהוא מסתובב, המשקל מטלטל את הטלפון, וזה הרטט שמרגישים.

• מאוורר ומכונת כביסה

  מאוורר תקרה ותוף של מכונת כביסה מסתובבים בזכות מנועים חשמליים. במכשירים כאלה משנים את מהירות הסיבוב בעזרת שליטה בזרם.

שאלות נפוצות

איך עובד מנוע חשמלי?

זרם עובר בסליל שנמצא בשדה מגנטי. על שתי הצלעות של הסליל פועלים כוחות הפוכים, והם מסובבים אותו. המחלף הופך את כיוון הזרם בכל חצי סיבוב, כדי שהסיבוב יימשך.

מה הנוסחה לכוח על תיל בשדה מגנטי?

F = B·I·L·sinα, כאשר α היא הזווית בין התיל לשדה. כשהתיל ניצב לשדה הכוח מרבי, וכשהוא מקביל לשדה אין כוח.

מה תפקיד המחלף?

להפוך את כיוון הזרם בסליל בכל חצי סיבוב. בלעדיו הכוחות היו מחזירים את הסליל אחורה אחרי שהוא עובר את המצב הניצב, והוא היה נעצר.

מה ההבדל בין מנוע לגנרטור?

זה אותו מכשיר שעובד בשני כיוונים. במנוע נותנים זרם ומקבלים סיבוב. בגנרטור מסובבים את הסליל, השטף דרכו משתנה, ונוצר זרם בזכות השראה אלקטרומגנטית.

למה מנוע חשמלי מתחמם?

כי לסלילים יש התנגדות, וחלק מהאנרגיה החשמלית הופך לחום. גם החיכוך בצירים ובמברשות מחמם. לכן לרוב המנועים יש מאוורר או צלעות קירור.

כוחות מגנטיים עדיין מבלבלים?

בקורס החשמל והמגנטיות יש פרק על כוח לורנץ ופרק שלם על כוח על תיל נושא זרם בשדה מגנטי, הבסיס של כל מנוע חשמלי. כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל יש פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס החשמל והמגנטיות

או מתחילים בחינם: ספר החשמל והמגנטיות, להורדה