Jak działa silnik elektryczny? Bajtek tłumaczy i wyjaśnia

Prąd zamiast paliwa

Najważniejsza różnica między silnikiem spalinowym (czyli takim montowanym w większości dzisiejszych aut) a elektrycznym to źródło zasilania. Do spalinowego trzeba nalać jakiejś łatwo palącej się substancji, np. benzyny, oleju napędowego lub gazu LPG. Podobno stare samochody jeździły też na zużytym oleju ze smażenia frytek albo rozpuszczalniku do farby, jednak szybciej się przez to psuły.

Ale wróćmy do tematu. Paliwo w silniku miesza się z powietrzem, zostaje podpalone i to powoduje małe wybuchy, które poruszają tłokami w cylindrach. Przypomina to trochę strzykawkę: jak nabierzesz do niej wody lub powietrza, zatkasz mocno dziobek, naciśniesz tłoczek i puścisz, to sam się cofnie. Na końcu tłoka jest wał korbowy, czyli taki pokrzywiony drążek, trochę jakby pedały w rowerze. Tłok kręci tymi pedałami i to porusza koła samochodu. Wprawdzie po drodze jest jeszcze kilka elementów, takich jak sprzęgło i skrzynia biegów, ale to już materiał na inną opowieść.

Natomiast silnik elektryczny jest zasilany prądem, który pochodzi z baterii lub gniazdka. Płynie on do tzw. szczotek, z nich do komutatora zamontowanego na wirniku umieszczonym między dwoma magnesami stojanu. Poprzez zmiany pola magnetycznego uzwojenia na wirniku wprowadzają go w ruch obrotowy. Wiem, że brzmi to strasznie skomplikowanie przez te dziwne nazwy, dlatego zaraz wyjaśnię dokładnie co i jak. Ale skończę jeszcze tylko porównanie z silnikiem spalinowym.

Biegi i przełożenia — skrzynia biegów

Jak wspomniałem wcześniej, silnik zasilany paliwem wymaga skrzyni biegów, która jest skomplikowanym układem zębatek. Ich zadanie to zmiana przełożenia, czyli siły jaka jest przekazywana na koła. Im szybciej kręci się wał korbowy tym więcej mocy jest do dyspozycji, ale zbyt mocne obciążenie może z łatwością zatrzymać ten ruch. Dlatego skrzynia biegów sprawia, że koła kręcą się znacznie wolniej niż wał korbowy, co zmniejsza jego obciążenie. Gdy auto się nieco rozpędzi, należy zmienić przełożenie na dające mniej siły, a więcej prędkości.

Zrób taki eksperyment z klockami LEGO — połącz malutką i wielką zębatkę. Kręcąc drążkiem małej poruszasz dużą, ale znacznie wolniej. Możesz w ten sposób zbudować dźwig, który uniesie spory ciężar na lince zwijanej na drążku dużego koła. Im większa różnica rozmiaru zębatek, tym wyraźniejszy efekt przełożenia. Jeśli zamienisz zębatki, poruszenie całości będzie znacznie trudniejsze i może doprowadzić do zepsucia drążka, którym kręcisz. Na tej samej zasadzie działają przerzutki w rowerze.

W silniku elektrycznym nie ma potrzeby stosowania skrzyni biegów, ponieważ ma on stałą siłę od samego początku, a zmienia się w nim jedynie prędkość obracania się. Ostatnia różnica to sprawność, czyli jaka część pobranej energii z paliwa zmienia się w ruch. W silniku spalinowym ponad połowa tej energii marnuje się jako ciepło m.in. ulatujące w formie spalin, czyli resztek ze spalania paliwa. Silniki elektryczne mają sprawność sięgającą nawet 99%, czyli znacznie efektywniej wykorzystują swoje źródło zasilania. I nie generują spalin, więc są ekologiczne i nie trują otoczenia.

Zasada działania silnika elektrycznego

Zanim dokładnie wytłumaczę sposób działania silników elektrycznych, muszę opowiedzieć trochę o prądzie, ponieważ to on wprawia to wszystko w ruch. Mamy go w gniazdkach, telefonach, bateriach, lampach, na niebie w formie piorunów czy nawet w naszym mózgu — czyli wszędzie dokoła nas! Ale czy wiecie, czym w ogóle jest?

Prąd elektryczny

Nazwa „prąd” nie jest przypadkowa, ponieważ podobnie jak w rzece występuje tu ruch. Tylko zamiast wody mamy swobodne ładunki elektryczne, a korytem rzeki jest jakiś przewodnik, np. kabel. Tak jak w gniazdku lub baterii z jednej strony jest źródło, a z drugiej miejsce docelowe, nazwijmy to morze. Aby całość mogła działać, potrzebna jest różnica wysokości między źródłem a morzem. Mówimy tu o potencjale, który im wyższy (tak jak wyżej położone źródło), tym szybciej płynie woda. Ciekawostka: w przypadku pioruna można mówić bardziej o wodospadzie niż rzece, ponieważ nie potrzebuje on koryta, a zmierza wprost do celu.

I tu pojawia się pewna komplikacja, ponieważ ta woda stoi w miejscu, dopóki nie zostanie poruszona przez obecne w morzu ujemnie naładowane elektrony chcące dopłynąć do źródła. Przyjmijmy, że to łososie. Odpowiednio duża ich liczba płynąca w górę rzeki odpycha wodę w przeciwnym kierunku, wytwarzając prąd.

Ale jest jeszcze jedna kwestia: woda w źródle może się skończyć i prąd przestanie płynąć. Tu pojawia się bateria, która zadziała jak pompa przetaczająca wodę z morza z powrotem na szczyt. Uznajmy, że nasza pompa jest zasilana silnikiem spalinowym. Gdy braknie paliwa, pompa przestanie przetaczać wodę, źródło po chwili wyschnie i prąd przestanie płynąć. Wtedy trzeba zmienić baterię na nową lub zatankować obecną (jeśli jest taka możliwość).

Prąd opisuje się najczęściej dwoma parametrami: napięciem i natężeniem mierzonymi w Woltach (V) i Amperach (A). Trzymając się porównania do rzeki, można przyjąć takie tłumaczenie: napięcie to wysokość źródła nad poziom morza, co nadaje rzece prędkość, a natężenie to ilość płynącej wody. Trzeba pamiętać, że natężenie jest znacznie groźniejsze od napięcia, ponieważ nawet wolno płynąca duża masa wody może narobić wiele szkód, jak powódź. A szybko płynący mały strumyk raczej nie stanowi zagrożenia.

Pole magnetyczne

Ufff, sporo już wiemy i jesteśmy coraz bliżej zrozumienia zasady działania silnika elektrycznego. Została nam jeszcze jedna kwestia do omówienia, czyli pole magnetyczne. Wspomniane wcześniej łososie, czyli elektrony, to naładowane ujemnie cząsteczki, które będą zmierzać tam, gdzie są cząsteczki dodatnie, aby wszędzie było po równo plusów i minusów. Jeśli natomiast nie pozwolimy im się poruszać, stworzą skupiska o odmiennych ładunkach. Takim przykładem dwóch skupisk jest magnes. Jeśli weźmiemy dwa magnesy i przysuniemy je do siebie, to zależnie od ich pozycji względem siebie, będą się przyciągać lub odpychać. Jak się zapewne domyślasz, przyciągają się skupiska o przeciwnych ładunkach. Skupiska te nazywamy biegunami. Nasza planeta też ma bieguny, wiesz?

Możesz zaobserwować linie pola magnetycznego. Weź magnes, połóż na nim kartkę papieru, po czym wysyp na nią opiłki żelaza. Zobaczysz, że zaczną układać się w charakterystyczne linie.

Prąd płynąc w kablu wytwarza dodatnie pole magnetyczne, które wiruje zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, gdzie kabel jest ich osią, a prąd biegnie od nas w stronę tarczy. Zwijając kabel w sprężynkę wokół np. gwoździa, tworzymy dla tego pola „tor”, gdzie z jednej strony będzie ładunek dodatni, a z drugiej ujemny. W ten sposób działają elektromagnesy. Używa się ich na złomowiskach, gdzie służą do przenoszenia metalu z miejsca na miejsce. Po odłączeniu baterii magnes przestaje działać i całe to żelastwo spada na ziemię. I teraz pewnie przychodzi Ci do głowy pewne ważne pytanie:

Skoro prąd może stworzyć magnes, to czy z pomocą magnesu można stworzyć prąd?

Tak! Jeśli w elektromagnesie zastąpisz baterię żaróweczką lub diodą LED, a zamiast gwoździa umieścisz między zwojami sprężynki magnes i nim poruszysz, wprawisz elektrony w ruch i otrzymasz prąd, który spowoduje krótki błysk światła. Im dłuższa i gęstsza sprężynka, tym więcej prądu. Dlatego znajdując sposób na szybkie poruszanie magnesem, uzyskasz pulsujące światło — tak działa prąd zmienny, który płynie w gniazdku. Może to być ruch w przód i w tył albo obrotowy.

W tym drugim przypadku uzwojenia (czyli odpowiednik sprężynki) są umieszczane na prostokątnej ramce wewnątrz kręgu magnesów lub wokół nich. W elektrowniach wielkie magnesy wirują z dużą prędkością, dając około 50-60 impulsów na sekundę, dlatego prąd w sieci elektrycznej ma taki parametr, jak częstotliwość. Jeśli spojrzysz na ładowarkę telefonu, zobaczysz tam najpewniej informację o częstotliwości 50-60Hz. Brzmi znajomo?

A jeśli zastanawiasz się, jak można tym wszystkim poruszać tak szybko, już odpowiadam: robią to turbiny. Są to wielkie wiatraki, do który przymocowano magnesy lub ramki z uzwojeniami. Wprawiane są w ruch przy użyciu wiatru, wody lub pary wodnej (np. w elektrowniach węglowych lub atomowych). Takie układy nazywamy generatorami. Zależnie od ich ilości i rozmiaru dają więcej lub mniej prądu. To oczywiście uproszczony sposób działania elektrowni, ale pozwala zrozumieć ten mechanizm.

Silnik elektryczny to taki odwrócony generator

Jeśli zamiast żaróweczki umieścisz w układzie jakąś baterię, wtedy pole magnetyczne uzwojenia zacznie odpychać się od pola stałych magnesów, ale tylko do momentu wyrównania potencjałów w układzie. Aby ruch trwał, należy w odpowiednim momencie odwrócić bieguny, i tym właśnie zajmuje się komutator. To coś w rodzaju przeciętego na pół pierścienia, z którym stykają się szczotki połączone z baterią. W pewnym momencie obrotu następuje zmiana biegunów na ramce z uzwojenia, przez co odpycha się ona ponownie. Im więcej segmentów ma komutator, tym płynniejszy jest ruch wirnika.

Coraz popularniejsze stają się silniki bezszczotkowe, ponieważ to właśnie szczotki najczęściej się psują z powodu tarcia. W silniku bezszczotkowym magnes jest zamocowany na wirniku, a uzwojenia, czyli cewki, są nieruchome. Komutatorem jest tutaj mały układ elektroniczny, który daje prąd odpowiednim cewkom. Takie właśnie silniki są montowane w samochodach elektrycznych. Ważne też jest to, że podczas hamowania albo zjeżdżania z górki silnik zmienia się w generator i ładuje baterie samochodu. Ale ekstra sprawa! Jak dorosnę na pewno kupię sobie takie auto.

A na razie chyba wystarczy mi hulajnoga elektryczna. A może hoverboard? Ciężko się zdecydować, ale mam do przeczytania poradnik, który powinien mi pomóc podjąć decyzję. Dron też brzmi świetnie, a ostatnio czytałem świetny artykuł na ten temat…

Mam nadzieję, że zrozumiałeś z moją pomocą sposób działania prądu i silnika elektrycznego. Teraz już wiesz co sprawia, że te wszystkie przedmioty w twoim otoczeniu się poruszają. Rozejrzyj się dokoła — ile silników udało Ci się znaleźć?

Sprawdź pojazdy elektryczne w x-kom

O moich pozostałych odkryciach przeczytasz tutaj: