موتور هموپلار یا تک قطبی (homopolar motor)

موتور هموپلار چیست؟

موتور هموپلار (Homopolar Motor) یا موتور تک قطبی یکی از ساده‌ترین موتورهای الکتریکی است که از یک رسانا با جریان عبوری مستقیم و دو قطب مغناطیسی، تشکیل شده است. به شکل ساده، جریان مستقیمی عبوری از سیم و همچنین میدان مغناطیسی ناشی از آهنربای دائم، باعث چرخش سیم به دور باطری می‌شود.

البته به این نوع موتور، موتور “هم قطبی” هم گفته می‌شود، که نام هم قطبی صحیح‌تر است، چون جهت جریان الکتریکی رسانا و قطب‌های مغناطیسی، ثابت هستند و تغییر نمی‌کنند.

دو مدل موتور هموپلار

تاریخچه

موتور هموپولار اولین موتور الکتریکی ساخته شده تاریخ است و نحوه کارکرد آن در سال 1821 توسط مایکل فارادی (Michael Faraday) تشریح شده است.

در سال 1821 فیزیکدان و شیمیدان دانمارکی، هانس کریستین اورستد (Hans Christian Ørsted) پدیده الکترومغناطیس را کشف کرد و راه برای ساخت تجهیزاتی که دارای چرخش ناشی از الکترومغناطیس بودند، باز شد. فارادی توانست با استفاده از سیمی که به داخل حمام جیوه فرو برده بود و همینطور آهنربای قرار گفته در داخل جیوه، حرکت چرخشی پیوسته‌ را، به وجود آورد. هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از سیم عبور داده می‌شد، سیم شروع به چرخش به دور آهنربای دائم می‌کرد. این نوع موتور در حقیقت یک موتور هموپولار بود.

فارادی با این آزمایشات و اختراعات، علم الکترومغنماطیس مدرن را پایه‌گذاری کرد که کاربردهای بسیار زیادی در جهان پیدا کرده است.

Faraday_magnetic_rotation
آزمایش چرخش الکترومغناطیس توسط فارادی

علت چرخش

موتور هموپلار با استفاده از نیروی لورنتس (Lorentz) چرخش ایجاد می‌کند. هنگامی که سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، به سیم نیرو وارد می‌شود. اگر جهت میدان مغناطیسی بر جهت جریان عمود باشد، نیروی حاصل به صورت سه بعدی عمود بر جهت جریان و همچنین جهت میدان مغناطیسی خواهد بود. این نیرو یک گشتاور حول محور چرخش به وجود می‌آورد. اگر جهت جریان عبوری از سیم برعکس شود، جهت دوران نیز برعکس خواهد شود.

مشابه با اکثر موتورهای الکتریکی، موتور هموپلار نیز قابل معکوس سازی است، یعنی با معکوس کردن آن می‌توان یک ژنراتور داشت. اگر سیم با نیروی مکانیکی چرخانده شود در دو انتهای آن اختلاف ولتاژ و جریان مستقیم به وجود می‌آید. با استفاده از ژنراتور هموپلار می‌توان به اختلاف ویتاژ پایین و جریان بسیار بالا دست یافت.

در شکل؛

  • قرمز: میدان مغناطیسی (ناشی از آهنربای دائمی کوچک که به زیر باطری چسبانده شده است)
  • آبی: جریان الکتریکی مستقیم (ناشی از باطری)
  • سبز: نیروی وارده بر سیم حامل جریان الکتریکی مستقیم. در سمت راست تصویر نیروی حاصل، عمود بر صفحه تصویر و به سمت بیرون است. در سمت چپ تصویر نیروی حاصل، عمود بر تصویر و به سمت داخل است.
Motor_homopolar_flux_force_neutral-min
میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی و نیروی وارده بر سیم

ساخت موتور هموپلار

یک؛ وسایل و تجهیزات مورد نیاز

  • باطری قلمی (مشاهده مدل مناسب در دیجی‌کالا)
  • آهنربای نئودیمیوم با قطر حدودی 15 میلی‌متر (مشاهده مدل مناسب در دیجی‌کالا). البته می‌توانید از مدل‌های کوچک‌تر (تا قطر حدود 10 میلی‌متر) و بزرگتر (تا قطر حدود 20 میلی‌متر) هم استفاده کنید.
  • دمباریک
  • سیم مسی (در حدود 30 سانتی‌متر)
  • پیچ کوچک (در صورتی که مدل آهنربای چرخان را بسازید)
  • چسب بادکنک برای چسباندن آهنربا بر روی میز (می‌توان از یک تکه آهن نیز استفاده کرد)

دو؛ روش ساخت

سه؛ برخی نکات در ساخت موتور هموپلار

  • آهنرباهای نئودیمیوم ترد و شکننده هستند و در صورتی که به آنها ضربه بزنید می‌شکنند. به همین دلیل سعی کنید به سرعت به طرف هم جذب نشوند، چون به سرعت به هم برخورد کرده و ممکن است بشکنند.
  • سعی کنید از سیم بدون روکش (بدون لاک) استفاده کنید. در صورتی که از سیم لاکی استفاده می‌کنید با استفاده از یک چاقو می‌توانید لاک سیم را در قسمت‌های تماس با آهنربا و قطب باطری خراش دهید. همچنین این کار را می‌تواند با استفاده از کاغذ سمباده نیز انجام دهید.
  • ممکن است سیم از روی قطب آهنربا جابجا شود، برای ثابت نگه داشتن آن می‌تواند از یک آهنربای کوچک و واشر کوچک استفاده کنید. آهنربا را به بالای باطری چسبانده و واشر را بر روی آن قرار دهید تا سیم داخل سوراخ واشر قرار گیرد و جابجا نشود. می‌توانید به جای آهنربای کوچک از چسب دو طرفه هم استفاده کنید، فقط در صورت استفاده از چسب دو طرفه قسمت وسط آن را برش دهید تا تماس سیم با باطری قطع نشود.