Pradědeček elektromotor

V letošním roce si připomínáme několik „kulatých“ výročí, spojených se jménem významného anglického fyzika, chemika a vynikajícího experimentátora Michaela Faradaye. Na 29. září 2011 připadlo 220. výročí jeho narození, před 190 lety v jeho laboratoři vznikl první model elektromotoru a od objevu elektromagnetické indukce uplynulo 180 roků. Co tomu všemu předcházelo?

Až do začátku 19. století studovali učenci elektrické a magnetické jevy odděleně. Jejich pokusy v té době neměly žádné praktické využití. Většinou sloužily spíše jako zábavná kratochvíle pro urozenou šlechtickou společnost. Hlavní vědecké výzkumy se tehdy týkaly elektrostatiky. Z hodin fyziky si jistě pamatujete jména jako Pieter van Musschenbroek (leydenská láhev), Benjamin Franklin (vynález bleskosvodu), Luigi Galvani (elektrické pokusy s žabími stehýnky) či Charles Auguste de Coulomb (zákon silového působení elektrických nábojů). Obrat směrem k využití elektřiny a magnetismu nastal až v roce 1800, kdy italský fyzik Alessandro Volta zkonstruoval první galvanický článek – zdroj elektrického napětí schopný dodávat také dostatečný elektrický proud.

Teprve pak se mohli vědci důkladně zabývat vlastnostmi a účinky elektrického proudu, který prochází kovovými vodiči, kapalinami a plyny. V roce 1820 učinil dánský fyzik Hans Christian Oersted a nezávisle na něm francouzský fyzik André Marie Ampère zásadní objev: elektřina a magnetismus spolu souvisejí! Experimentálně totiž prokázali, že okolo vodiče, kterým prochází elektrický proud, vzniká magnetické pole. Na tento jejich objev navázal Michael Faraday a podařilo se mu pomocí elektrického proudu a magnetického pole uvést vodič do trvalého pohybu. Tak se v roce 1821 zrodil první – velmi primitivní – elektromotor. Po deseti letech pokusů Faraday v roce 1831 objevil a teoreticky vysvětlil jev, nazývaný elektromagnetická indukce: změnou magnetického pole vzniká (indukuje se) ve vodivé smyčce elektrický proud.

První elektromotor

Uprostřed původního Faradayova elektromotoru je skleněná nádobka naplněná rtutí. V ní je tyčový magnet a shora do rtuti zasahuje volně zavěšený drát. Zdroj napětí (galvanický článek) se připojí jedním pólem k zavěšenému drátu a druhým pólem ke kontaktu na stěně nádobky. Rtutí mezi drátem a kontaktem prochází elektrický proud. Na „rtuťový vodič“ působí magnetické pole a uvádí rtuť do kruhového pohybu. Rotující rtuť otáčí zavěšeným drátem – elektrická energie se tak přeměňuje na energii pohybovou. Účinnost této přeměny je sice nepatrná, ale dlouhá řada dalších vynálezců se postarala o zdokonalení elektromotorů až do jejich dnešní podoby.

Faradayův elektromotor, model 2011

Nechtěli byste si postavit současnou variantu pradávného Faradayova elektromotorku? Při jeho konstrukci vystačíte s běžným nářadím i snadno dostupnými součástkami a materiály. Budete potřebovat skleněnou nebo plastovou misku, alobal, ocelový vrut nebo šroub, plochou baterii, tenký vodič, válcový neodymový magnet, masivní železný podstavec, vodu, sůl a mletý pepř.

Misku polepte po vnitřním obvodu pruhem alobalu a do středu misky přilepte vrut. Zespodu k misce přilepte válcový magnet a sestavu položte na podstavec. Na jednom místě na alobal nasuňte kancelářskou sponku jako kontakt. Ke sponce upevněte odizolovaný tenký vodič a druhý tenký vodič omotejte kolem špičky vrutu. Do misky pak nalijte roztok kuchyňské soli ve vodě. Vodiče od kontaktu (sponky) a od vrutu připojte k ploché baterii nebo jinému zdroji malého stejnosměrného napětí. Hladinu slané vody v misce lehce posypejte pepřem a pozorujte, jak se jeho částečky kolem vrutu začnou pohybovat po soustředných kružnicích. Zhotovili jste zjednodušenou variantu Faradayova motorku, ve které je původní jedovatá rtuť nahrazena slanou vodou. Místo volně zavěšeného drátu se u tohoto modelu pohybují zrníčka pepře.

Proč a jak?

Dovedli byste vysvětlit:

• proč se pepř na hladině pohybuje?
  
• proč se pepř pohybuje po kružnicích?
  
• jak se projeví záměna pólů baterie?
  
• co kdybychom odstranili magnet?
  
• co kdybychom použili místo slané vody citronovou šťávu?
  
• co kdybychom použili čistou vodu místo vody slané?

K zodpovězení těchto a dalších otázek stačí aplikovat několik základních poznatků o elektrickém proudu a působení magnetického pole na pohybující se elektrické náboje:

Slaná voda obsahuje kladné ionty sodíku Na⁺ a záporné ionty chloru Cl^–, které se po připojení zdroje začnou pohybovat mezi vrutem a sponkou na obvodu misky. Současně však na ně působí silné magnetické pole neodymového magnetu, jehož indukční čáry jsou v okolí pólu přibližně svislé. Podle Flemingova pravidla levé ruky magnetická síla vychyluje pohybující se ionty kolmo ke směru jejich pohybu a nutí je pohybovat se po kružnicích. Částice pepře slouží jen ke zviditelnění kruhového pohybu iontů, které přímo vidět nemůžeme. Směr působící síly závisí na směru proudu, proto se při záměně pólů změní i směr pohybu pepře. Čistá voda neobsahuje ionty a magnetické pole nezpůsobuje její kruhový pohyb (ani zrnek pepře). Kdybychom odstranili magnet, na ionty by nepůsobila žádná síla a voda by nevykonávala kruhový pohyb.

Otázka na závěr

Z hodin fyziky víte, že současný elektromotor má dvě hlavní části – nepohyblivý stator a otáčející se rotor. Dovedete říci, co plní funkci statoru a rotoru v tomto modelu Faradayova motorku?

---

Michael Faraday (1791 – 1867)

Pocházel z rodiny venkovského kováře a dostalo se mu jen velmi skromného vzdělání. Vyučil se knihařem a zlomem v jeho životě se stal okamžik, kdy se mu dostal do ruky článek o elektřině. Mladého Faradaye elektřina zaujala a začal provádět jednoduché experimenty s galvanickými články. Rozhodl se doplnit si vzdělání a v roce 1812 začal pravidelně navštěvovat veřejné přednášky v Královském institutu. Šťastnou náhodou získal místo asistenta u proslulého chemika H. Davyho a tak začala jeho vědecká kariéra.

Faradayův talent se pod vedením Davyho rychle rozvíjel. Roku 1821 navázal na Oerstedův objev elektromagnetismu a navrhl experiment, při němž se mu podařilo vytvořit první elektromotor. Brzy se stal členem Královské společnosti a obrátil svou pozornost k chemii. Navrhl metodu zkapalňování plynů, objevil benzen, zabýval se sklářstvím a metalurgií.

Největším Faradayovým objevem byl zákon elektromagnetické indukce z roku 1831. Podařilo se mu dokázat, že změnou magnetického pole se na koncích vodiče vytvoří (indukuje) elektrické napětí. Elektromagnetická indukce našla hlavní využití v energetice, při výrobě elektrické energie v generátorech elektráren. Faraday našel také souvislost mezi elektřinou a chemickými ději. Formuloval dva základní zákony elektrolýzy, nazvané jeho jménem.

Faraday pravidelně pořádal oblíbené popularizační přednášky pro veřejnost. Jako člověk byl velmi skromný, netoužící po slávě a poctách. Odmítl nejen povýšení do rytířského stavu, ale i nabídku stát se prezidentem Královské společnosti. Svým rozsáhlým dílem se zařadil mezi největší fyziky všech dob. Na jeho počest byla nazvána jednotka kapacity – 1 farad (F).