Юный техник (35 самодельных приборов и моделей для школы, пионерского отряда и дома по оптике, - Абрамов Александр Иванович
Таблица 23. Принцип действия динамомашины.
Пока прямоугольник будет неподвижно стоять между полюсами магнита, стрелка гальванометра будет показывать нуль (А). Однако если мы резко повернем прямоугольник, стрелка гальванометра сразу отклонится (Б). Есть ток!
Доведем прямоугольник до вертикального положения (В), остановим, и стрелка гальванометра успокоится на нуле.
Попробуем вращать прямоугольник дальше. Тут мы обнаружим, что в проволоке снова возникает ток, стрелка гальванометра опять отклоняется, но — в другую сторону (Г). Это понятно: ведь у неподвижных полюсов магнита проходят другие стороны прямоугольника, и поэтому направление тока в проволоке меняется.
Снова доведем прямоугольник до вертикального положения (Д), и стрелка гальванометра опять придет к нулю.
Ясно, что если мы будем непрерывно вращать прямоугольник, в нем также непрерывно будет возбуждаться ток, каждые пол-оборота меняющий направление на обратное. Это переменный ток. Такой ток, как в городской осветительной сети. Мы построили простейшую динамо-машину — генератор переменного тока.
Возникновение тока в прямоугольнике интересно изобразить графически. Если поставить прямоугольник вертикально, а затем начать вращать его, за первую четверть оборота ток возбудится от нуля до наибольшей величины (кривая над рис. Б). Затем, за вторую четверть оборота ток уменьшится до нуля (кривая над рис. Б). В третью четверть оборота ток снова достигнет наибольшей величины, но будет уже другого направления (кривая над рис. Г). И, наконец, за четвертую четверть оборота ток снова уменьшится до нуля (кривая над рис. Д). Для большей ясности кривая тока чертится то над, то под горизонтальной чертой, что сразу показывает перемену направления тока.
Совершенно понятно, что за следующий оборот прямоугольника явление повторится: снова ток поднимется от нуля до наибольшей величины, потом опустится до нуля, опять увеличится, но уже в другом направлении, и к концу оборота снова придет к нулю. Все время, пока мы будем вращать прямоугольник, в нем будет возбуждаться электрический ток, непрерывно меняющий направление.
Такой полный цикл — возбуждение тока, уменьшение, возбуждение в другом направлении и опять уменьшение до нуля — называют периодом. В нашей городской электрической сети ток пятидесятипериодный. Это значит, что пятьдесят раз в секунду совершается полный цикл.
Описанная нами динамомашина переменного тока очень ясно показывает принцип действия настоящей машины.
Однако машина лучше работает, если свернуть не один прямоугольный виток, а несколько — сделать многовитковую катушку. Получается еще лучше, если внутрь катушки поместить железный сердечник. В таком виде получится уже динамомашина, которая сможет не только отклонять легкую стрелку гальванометра, но и накаливать нити электрических лампочек или производить какую-нибудь другую работу.
Чем большее количество витков мы намотаем на вращающийся сердечник машины — на якорь, тем большее напряжение будет давать машина. И если мы будем вращать якорь со скоростью 3 тысяч оборотов в минуту, мы получим пятидесятипериодный переменный ток. Практически оказывается, что для самодельной машины, которую мы построили, совершенно достаточна скорость около 2 тысяч оборотов в минуту. При этой скорости она отлично работает, а число периодов, которое дает машина, нам не важно.
Нашу машину мы рассчитали на 4–6 вольтов — такое напряжение, на которое рассчитаны маленькие лампочки. Эта машина может одновременно питать током шесть-восемь лампочек карманного фонаря.
Устройство и конструкция ее совершенно понятны по рисункам (см. таблицу 24).
Таблица 24. Динамомашина с набивным якорем.
Размеры якоря зависят от магнитов. Поэтому на таблице якорь нарисован так (слева, внизу), что, зная внешний диаметр его, каждый сможет рассчитать размеры вырезов. В нашей машине расстояние между полюсами магнита равно 42 поэтому диаметр якоря мы взяли в 40 мм.
Якорь — обычно самая сложная для изготовления часть машины. Многие делают его из полосок жести, изогнутых в различные фигуры, но в таком якоре оказывается недостаточное количество железа и из-за этого машина плохо работает. Якоря настоящих машин собираются на многих штампованных кружков с вырезами, но юному технику такое дело не под силу. Как же быть?
Мы попробовали сделать якорь так, как он еще никогда не делался: пустой жестяной якорь набить обрезками железной проволоки, гвоздями, железными опилками. Попробовали — и получили замечательный результат: машина работает отлично. Якорь такой конструкции очень легко изготовить любого диаметра, любой длины, любой формы. Форма нашего якоря — так называемая двух-Т-образная.
К двум очень тщательно вырезанным щечкам припаиваются два полукруга (см. таблицу, слева, вверху). Затем впаивается П-образная часть. Получается незакрытая еще «коробочка» якоря. В эту «коробочку» набиваются обрезки мягкой железной проволоки по длине якоря и заливаются каким-нибудь лаком. Затем якорь нужно хорошенько потрясти, чтобы проволока плотно улеглась. Когда будут заполнены все уголки, можно закончить «коробочку», припаяв вторую П-образную часть.
Если все сделать аккуратно, якорь получится так хорошо, что мало кто догадается, каким способом он изготовлен. Получается полное впечатление массивной точеной детали!
Готовый якорь покрывается лаком, вырезы оклеиваются бумагой и обматываются медной эмалированной проволокой диаметром 0,5–0,6 мм. С каждой стороны оси наматывается по 100 витков, всего, значит, 200 витков.
На ось, вплотную к обмотке, надевается деревянный или свернутый из бумаги цилиндрик. На цилиндрик надеваются два медных кольца. Один конец обмотки припаивается к ближайшему кольцу, другой конец пропускается сквозь проколотое шилом или раскаленной проволокой отверстие в цилиндрике и припаивается ко второму кольцу. Якорь готов.
Сделать жестяные футляры для концов постоянных магнитов уже совсем легко. Они подгоняются просто по магнитам. Изнутри припаиваются жестяные полукруги. Уголки заполняются железной проволокой и также заливаются лаком. Форма и размеры футляров, так называемых полюсных насадок, видны на рисунках.
Щетки вырезаются из хорошо пружинящей тонкой латуни и прибиваются к дощечке-основанию. Они должны хорошо прилегать к кольцам, но не очень сильно нажимать, чтобы не расходовалась зря энергия на преодоление трения.
Подшипники свертываются из медной полуторамиллиметровой проволоки и припаиваются к стойкам любой формы.
Провода от щеток лучше всего подвести к двум клеммам. Машина готова.
Если в обмотке нет обрыва и концы ее нигде не соединяются, можно ручаться, что сразу после изготовления машина заработает. Здесь не может быть никаких неожиданностей, никаких неприятностей.
Для испытаний машины нетрудно сделать простой редуктор из деталей «конструктора». Такой самодельный редуктор, сцепленный с динамомашиной, показан на таблице.
Этот редуктор из трех больших и трех малых шестерен от «конструктора» дает ускорение 1:18. Достаточно вращать ручку его со скоростью всего ста оборотов в минуту, чтобы машина давала полное расчетное напряжение.
А как быть, если нужно сделать машину большей мощности? Для питания десяти-пятнадцати лампочек карманного фонаря?
Очень просто сделать машину не с двумя, а с четырьмя магнитами. Конструкцию ее можно решить по-разному. Можно поставить четыре магнита в ряд и вдвое удлинить якорь. При нашей конструкции якоря сделать это незатруднительно. Можно сложить магниты попарно одноименными полюсами и получить конструкцию, показанную в левом нижнем углу таблицы. Такая машина удобна тем, что у нее нет деревянной дощечки-основания, она очень компактна. Наконец, юные техники сами могут придумать и другие конструктивные решения.
