Opera on of the DC motor. Electrodynamic force. Electric motor. Scenariusz Lesson plan

(1)

Opera on of the DC motor. Electrodynamic force.

Electric motor

Opera on of the DC motor. Electrodynamic force. Electric motor Scenariusz

Lesson plan

(2)

Działanie silnika prądu stałego. Siła elektrodynamiczna. Silnik elektryczny You will learn

what the electrodynamic force is, to describe how the DC motor works.

Nagranie dostępne na portalu epodreczniki.pl

Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

nagranie abstraktu

Before you start, do the following.

Describe the shape of the magnetic ﬁeld lines around the current‐carrying wire.

The current flowing in a wire creates a magnetic field, especially strong when the wire is wound into a coil and placed around the iron core. The magnetic field around a magnet can also influence a current‐carrying wire, by repelling or attracting the conductor with

current.

Electrodynamic force

nagranie abstraktu

Whenever a current‐carrying wire is placed in a magnetic ﬁeld, this conductor experiences an Electrodynamic force. This force is perpendicular to both the magnetic ﬁeld and the

Source: licencja: CC 0.

Opera on of the DC motor. Electrodynamic force.

Electric motor

(3)

direction of electric current. These three directions - and therefore the movement of the wire - can be determined using a left‐hand rule.

Le -hand rule

nagranie abstraktu

We stretch the thumb, fore‐finger and middle finger of the left hand so that they become perpendicular to each other. The fore‐finger represents the direction of magnetic field (from the north to the south pole) and the middle finger stands for direction of current. The thumb represents the direction of force (and also the direction of the movement of the wire).

Direc on of the electrodynamic force Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

nagranie abstraktu

A current‐carrying wire placed in a constant magnetic field will be deflected. The greater the current, the larger the wire deflection. If the direction of current changes, than the direction of force and deflection will also change.

(4)

Task 1

nagranie abstraktu

Explain using the le -hand rule the direc on of the movement of the wire on the picture above.

Simple DC motors

nagranie abstraktu

A simple electric motor can be constructed using a coil of wire (armature) that is free to rotate between two opposite magnetic poles.

When an electric current ﬂows through the coil, it experiences a magnetic force and rotates. One side of the coil goes up and the other side moves down, according to the

(5)

left‐hand rule. The direction of the current ﬂow is reversed every half turn. Otherwise the coil would stop.

Changing the current direction in the coil is achieved using two conducting halves of ring, called commutator, which are connected to the armature. The commutator has an electric contact with the brushes. The brushes are just two pieces of springy metal or carbon that make electric contact with the commutator. This allows supplying voltage in the same direction all the time. The both magnets around the armature are called stator. Instead of magnets electromagnets can also be used.

The number of rotations per second of a motor can be increased by either increasing the current ﬂowing in the coil or by increasing the strength of the magnetic ﬁeld.

Schema of a DC motor

Remember

nagranie abstraktu

The force exerted on a conductor through which electric current flows, placed in a magnetic field is called electrodynamic force. This force is perpendicular to both the magnetic field and the direction of electric current.

The rotation of a simple DC motor is possible due to electrodynamic force.

(6)

Exercises

Exercise 1

zadanie

Exercise 2

In which direc on does the motor rotate?

DC motor

Exercise 3

Explain in English when an electrodynamic force appears.

Determine which sentences are true.

Flowing electric current can create magne c ﬁelds.

A coil of wire in a motor is called a commutator.

A magne c ﬁeld is an area where a magne c force can be detected.

A device that converts electrical energy into mechanical energy is called a DC motor.



(7)

Exercise 4

zadanie

Match Polish terms with their English equivalents.

stojan DC motor prostopadły reguła lewej ręki silnik prądu stałego stator

perpendicular left-hand rule

siła elektrodynamiczna electrodynamic force

Source: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Glossary

armature ramka

Indicate which pairs of expressions or words are translated correctly.

stojan - DC motor

prostopadły - perpendicular

szczotka - brush

siła elektrodynamiczna - electrodynamic force

silnik prądu stałego - stator

reguła lewej ręki - le -hand rule



(8)

wymowa w języku angielskim: armature

brush szczotka

wymowa w języku angielskim: brush

commutator komutator

wymowa w języku angielskim: commutator

DC motor

silnik prądu stałego

wymowa w języku angielskim: DC motor

electrodynamic force siła elektrodynamiczna

wymowa w języku angielskim: electrodynamic force le -hand rule

reguła lewej ręki

(9)

wymowa w języku angielskim: left‐hand rule

perpendicular prostopadły

wymowa w języku angielskim: perpendicular

stator stojan

wymowa w języku angielskim: stator

Keywords

DC motor

electrodynamic force left‐hand rule

perpendicular

(10)

Scenariusz

Temat

Działanie silnika prądu stałego. Siła elektrodynamiczna. Silnik elektryczny Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VII. Magnetyzm. Uczeń:

6) wskazuje oddziaływanie magnetyczne jako podstawę działania silników elektrycznych.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje działanie silnika prądu stałego.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wyjaśnia, co to jest siła elektrodynamiczna.

2. Określa kierunek działania siły elektrodynamicznej.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje, czym jest siła elektrodynamiczna, - wyjaśnia działanie silnika prądu stałego.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

(11)

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie przypominają, jaki kształt mają linie pola magnetycznego wokół przewodnika przez który płynie prąd.

Opisz kształt linii pola magnetycznego wokół przewodnika przez który płynie prąd.

Realizacja lekcji

Nauczyciel omawia z uczniami czym jest siła elektrodynamiczna.

Prąd płynący w przewodzie wytwarza pole magnetyczne, które staje się silniejsze, jeśli przewód zostanie zwinięty w cewkę i umieszczony wokół żelaznego rdzenia. Pole

magnetyczne wokół magnesu może również wpływać na przewodnik z prądem, powodując jego wypychanie lub przyciąganie.

Siła elektrodynamiczna:

Jeśli przewodnik z prądem jest umieszczony w polu magnetycznym, to działa na niego siła elektrodynamiczna. Siła ta jest prostopadła zarówno do pola magnetycznego, jak i do kierunku prądu elektrycznego. Te trzy kierunki - a zatem kierunek ruch przewodnika - można określić za pomocą reguły lewej ręki.

Reguła lewej ręki:

Układamy kciuk, palec przedni i środkowy palec lewej ręki tak, aby były prostopadłe względem siebie. Przedni palec wskazuje kierunek pola magnetycznego (od północy do bieguna południowego), a środkowy palec kierunek prądu. Kciuk reprezentuje kierunek siły (a także kierunek poruszania się przewodnika).

[Graﬁka interaktywna]

Przewód z prądem umieszczony w stałym polu magnetycznym zostanie odchylony.

Im większy prąd, tym większe odchylenie przewodu. Jeśli zmienimy kierunek prądu, zmienia się również kierunek siły i odchylenia.

[Ilustracja 1]

Polecenie 1

Wyjaśnij, używając reguły lewej ręki, kierunek ruchu przewodu na powyższym rysunku.

Proste silniki prądu stałego:

(12)

Prosty silnik elektryczny można skonstruować za pomocą cewki z drutu (wirnik), która może obracać się swobodnie pomiędzy dwoma przeciwnymi biegunami magnetycznymi.

Kiedy prąd przepływa przez cewkę, siła magnetyczna obraca ją. Jedna strona cewki porusza się w górę, a druga strona w dół, zgodnie z regułą lewej ręki. Kierunek przepływu prądu zmienia się co pół obrotu. W przeciwnym razie cewka zatrzymałaby się.

Zmiana kierunku prądu w cewce odbywa się za pomocą dwóch przewodzących połówek pierścienia, zwanych komutatorem, które są połączone z wirnikiem. Komutator ma kontakt elektryczny ze szczotkami. Szczotki to dwa kawałki metalu lub węgla umocowanego na sprężynce, które wchodzą w kontakt elektryczny z komutatorem. Pozwala to na podawanie napięcia w tym samym kierunku przez cały czas. Oba magnesy wokół wirnika nazywają się stojanem. Zamiast magnesów można również stosować elektromagnesy.

Liczba obrotów na sekundę wirnika może zostać zwiększona przez zwiększenie natężenia prądu płynącego przez wirnik lub przez zwiększenie pola magnetycznego.

[Ilustracja 2]

Podsumowanie lekcji

Siła wywierana na przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny, umieszczony w polu magnetycznym nazywana jest siłą elektrodynamiczną. Siła ta jest prostopadła zarówno do pola magnetycznego, jak i do kierunku prądu elektrycznego. Działanie prostego silnika prądu stałego jest możliwe dzięki sile elektrodynamicznej.

(13)

Lesson plan

Topic

Operation of the DC motor. Electrodynamic force. Electric motor Level

Second

Core curriculum

VII. Magnetism. The student:

6) indicates magnetic inﬂuence as the basis for the operation of electric motors.

Timing

45 minutes

General learning objectives

Describes how a DC motor works.

Key competences

1. Explains what the electrodynamic force is.

2. Determines the direction of the electrodynamic force.

Operational (detailed) goals

The student:

- describes what the electrodynamic force is, - explains how the dc motor works.

Methods

1. Discussion.

2. Text analysis.

Forms of work 1. Individual work.

(14)

2. Group work.

Lesson stages

Introduction

Students remind what is the shape of the magnetic ﬁeld lines around the wire through which the electric current ﬂows.

Describe the shape of the magnetic ﬁeld lines around the a current‐carrying wire.

Procedure

The teacher discusses with the students what an electrodynamic force is.

The current flowing in a wire creates a magnetic field, especially strong when the wire is wound into a coil and placed around the iron core. The magnetic field around a magnet can also influence a current‐carrying wire, by repelling or attracting the conductor with

current.

Electrodynamic force:

Whenever a current‐carrying wire is placed in a magnetic ﬁeld, this conductor experiences an electrodynamic force. This force is perpendicular to both the magnetic ﬁeld and the direction of electric current. These three directions – and therefore the movement of the wire - can be determined using a left‐hand rule.

Left‐hand rule:

We stretch the thumb, fore‐finger and middle finger of the left hand so that they become perpendicular to each other. The fore‐finger represents the direction of magnetic field (from the north to the south pole) and the middle finger stands for direction of current. The thumb represents the direction of force (and also the direction of the movement of the wire).

[Interactive graphics]

A current‐carrying wire placed in a constant magnetic field will be deflected. The greater the current, the larger the wire deflection. If the direction of current changes, than the direction of force and deflection will also change.

[Illustration 1]

Task 1

Explain using the left‐hand rule the direction of the movement of the wire on the picture above.

(15)

Simple DC motors:

A simple electric motor can be constructed using a coil of wire (armature) that is free to rotate between two opposite magnetic poles.

When an electric current ﬂows through the coil, it experiences a magnetic force and rotates. One side of the coil goes up and the other side moves down, according to the left‐hand rule. The direction of the current ﬂow is reversed every half turn. Otherwise the coil would stop.

Changing the current direction in the coil is achieved using two conducting halves of ring, called commutator, which are connected to the armature. The commutator has an electric contact with the brushes. The brushes are just two pieces of springy metal or carbon that make electric contact with the commutator. This allows supplying voltage in the same direction all the time. The both magnets around the armature are called stator. Instead of magnets electromagnets can also be used.

The number of rotations per second of a motor can be increased by either increasing the current ﬂowing in the coil or by increasing the strength of the magnetic ﬁeld.

[Illustration 2]

Lesson summary

The force exerted on a conductor through which electric current flows, placed in a magnetic field is called electrodynamic force. This force is perpendicular to both the magnetic field and the direction of electric current. The rotation of a simple DC motor is possible due to electrodynamic force.

Selected words and expressions used in the lesson plan

armature brush

commutator DC motor

electrodynamic force left‐hand rule

perpendicular stator