Lektorált tananyag, ami a BKF Digitális és Kollaboratív Művészet (DIKOM) pályázatnak keretén belül valósult meg.
Szerző: Harsányi Réka, Társszerző: Juhász Márton András, Lektor: Fernezelyi Márton
Az elektromágneses mező
Az elektromágneses teret az elektromos mező változása, azaz az elektronok áramlása idézi elő. Az elektromos mező a töltéssel rendelkező részecskékből származik, a mágneses mező pedig ezek mozgásából, a kettő együtt eredményezi az elektromágneses teret. Általában a mágneses mező irányát és nagyságát az úgynevezett erővonalakkal jelezzük, ezek a mágnes északi sarkától a déli felé haladnak. Szemléltetni úgy lehet, hogy vasreszelék fölé helyezett mágnes hatására a reszelék összefüggő vonalakká rendeződik.
Mágneses tér iránytűkkel (© Nevit Dilmen found at Wikimedia commons)
Minden vezetőnek, amiben áram folyik, van mágneses tere, melynek erővonalai koncentrikus körök formájában körülveszik a vezetőt
Az elektromágnes esetén egy tekercsbe helyezett lágyvas hozza létre a mágneses teret addig, amíg a tekercsen áramot vezetünk át. Formájukat tekintve lehetnek rúd, patkó vagy gyűrű alakúak, ezeknek eltérő a mágneses áramlásuk. A legjobb a teljesen zárt vasmaggal rendelkező elektromágnesé.
Az elektromágneses indukció
Mágneses térben mozgó vezetőben elektromos feszültség keletkezik. Ez teszi lehetővé a dinamók, a villanymotorok és a transzformátorok működését. Két csoportra lehet osztani ezt a jelenséget, a nyugalmi és a mozgási indukciókra. Nyugalmiba pl. a transzformátorok, a mozgásiba pl. a motorok tartoznak. Nyugalmi esetén a fluxus (egy erőtérnek egy adott felületen való áthatolását jellemző mennyiség) hozza létre az indukciót, mivel sem a vezető, sem a mágneses mező nem mozog.
Számunkra a mozgási indukció megértése fontos, mivel villanymotorokat fogunk használni. Ebben az esetben vagy a vezető, vagy a mágneses mező, vagy mindkettő elmozdul egymáshoz viszonyítva. Legelterjedtebb formája a forgómozgás. A villanymotorok az elektromos energiából nyerik mechanikus energiájukat.
Három motortípusra térünk ki – mivel ezekből létezik kisfeszültséggel működő változatban is –, ezek a villanymotorok, a léptetőmotorok és a szervomotorok.
Egyenáramú villanymotor
Angolul DC motor. Az elektromágneses indukció elvén működik, az elektromos áramból nyert energiát alakítja át mechanikus energiává, konkrétabban forgó mozgássá.
„Kommutátor: áramfordító, egyenáramú dinamók és motorok, valamint bizonyos fajtájú váltóáramú motorok tengelyére szerelt, vele együtt forgó, egymástól elszigetelt vörösréz-szegmensekből álló henger. Minden szegmenshez egy-egy tekercsvég kivezetés van forrasztva. A kommutátorra rugók szorítják rá a réz- vagy szénkeféket, melyek az áramot be, illetve elvezetik. A forgórész valamely vezetőjében az állórész két pólusa között való elhaladásakor az indukált áram iránya megváltozik, azonban a keféken keresztül csak egyirányú áram folyik, mert a tekercsvéghez forrasztott kommutátor szegmens addigra már elhaladt a kefe alatt és a következő tekercs szegmensével nyer érintkezést, melyben még nem változott meg az áramirány.” (hu.metapedia.org)
„Mágneses fluxusnak hívjuk, ami szemléletesen a felületet metsző mágneses indukcióvonalak száma” (hu.wikipedia.org/fluxus)
„Armatúra:elektromos gépeknek az az alkatrésze, amelyben a feszültség indukálódik.” (kislexikon.hu)
Az egyenáramú motor működése a mágneses pólusok vonzásán és taszításán alapul. A motor két kivezetésére rákapcsoljuk az áramforrás pozítív és negatív kivezetését. Egy mágneses térben elhelyezett tekercsbe ha áramot vezetünk, akkor az indukálódott elektromágneses mező kölcsönhatásba lép az állandó mágnesek erőterével. Ezért az amatúra (a tekercs, ami a motor forgó része) a pólusok vonzó, illetve taszító hatása következtébenelmozdul. Ha az álló és forgórész pólusa azonos akkor vonzzák, ha ellentétes akkor taszítják egymást. Az áramváltást, azaz a pólusok felcserélését a kommutátor biztosítja, abban a pillanatban amikor a forgó és állórész pólusa megegyezik, átkapcsolja ellentétesre, így ismét taszítják egymást ezek az alkatrészek, ezért folytatódik a forgás. Az erőtér és az armatúra különféle összekapcsolása különböző belső fordulatszámot eredményez. A villanymotor sebességét befolyásolhatjuk az armatúra feszültségének vagy a gerjesztő áramnak a változtatásával. Villanymotor meghajtó mikrochippel is vezérelhetjük őket, úgynevezett H-híddal, melyre később térünk ki. A villanymotor jellemző adatai a feszültség és az áramerősség.
Villanymotorok
Villanymotor szerkezete
Villanymotor álló- és forgórésze
Nagyon kis méretben is léteznek, általában játékokban használják őket.
Egyenáramú villanymotor vezérlése H-híddal
Mivel a villanymotorok – ha szimplán rákötjük őket az áramra – egy irányba és adott sebességgel forognak, ezért ha irányítani akarjuk, egy motorvezérlő áramkörre, úgynevezett H-hídra van szükségünk. Ez egy elektromos áramkör, amit házilag is megépíthetünk, de mikrochip formájában meg is vásárolhatunk. A megfelelő lábakra bekötve a motorunkat, programozással vezérelhetjük a forgás irányát és sebességét. Arduinoval 3 voltos DC motorokat fogunk meghajtani L293N integrált áramkör használatával.
A H-híd két alapállapotának kapcsolási rajza
L293NE H-híd
Szükségünk van egy 10 kiloohmos ellenállásra, egy kétállású SPDT kapcsolóra (on-on), 1 DC motorra (3 V elég, az Arduino csak 5 V-ot bír meghajtani) és egy H-hídra. A H-hídnak mindkét oldalát be kell kötni a feszültségbe és a földelésbe is, de csak azt az oldalát kell bekapcsolni, amelyiket használjuk. (EN lábra kell HIGH jelet küldeni.)
A H-híd lábainak kiosztása
Összeépítés: próbapanelen, egy motorral, de most a 9 V elemet ne kössük rá, mert az USB kábel is elég ahhoz, hogy forogjon egy 3 V-os motor.
DC motor és L293NE h-híd bekötése próbapanelen
Arduino kód: 42motorhid
forrás: http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage, http://hu.wikipedia.org/wiki/Villanymotor, http://itp.nyu.edu/physcomp/Labs/DCMotorControl, http://hu.wikipedia.org/wiki/Mágneses_mező,
