Årskurs: 7-9, Gymnasiet
Ämnesområde: Elektricitet och magnetism

Mycket enklare än så här kan en elmotor inte gärna bli. Genom att låta elektrisk ström gå igenom en spole skapas en elektromagnet. Elektromagneten påverkas av magnetfältet från en permanentmagnet. Kraften får spolen att snurra runt. Se där! Du har tilllverkat en elmotor.

Material

• Fem små runda eller rektangulära permanentmagneter.
• Två stora gem.
• Engångsmugg av plast eller papper.
• Isolerad ledningstråd (enkeltrådig) 0,5-1,0 meter.
• Maskeringstejp.
• Batteri eller annan strömkälla. Ett vanligt 1,5-voltsbatteri räcker bra men det blir bättre med två 1,5-voltsbatterier eller med ett 4,5-voltsbatteri.
• Ledningar med krokodilklämmor.
•  Kniv för att avisolera ledningstråden.
• Svart permanent spritpenna.
• Någon form av batterihållare (se bild nedan).

Tillverka elmotorn

(30 minuter eller mindre.)

Linda tråden till en spole med cirka 2,5 centimeter i diameter. Gör en spole med 5-10 varv ledningstråd. Vira trådändarna runt spolen ett par gånger på motsatt sida för att hålla ihop spolen. Ungefär fem centimeter bör sticka ut på varje sida av spolen, klipp av tråden om det blir mer. (Se bilden)

Tag bort isoleringen på de ändar av tråden som sticker ut från spolen. Måla den ena sidan av den avisolerade tråden med den svarta spritpennan. Det är mycket viktigt att du målar precis som på bilden ovan. Om du håller spolen vertikalt ska du måla den övre halvan av trådarna.

Vänd plastmuggen uppochner och lägg två magneter mitt i och ovanpå muggen. Sätt fast ytterligare tre magneter inne i muggen direkt under de andra. Detta ger ett starkare magnetfält och de håller dessutom fast de andra magneterna.

Vik ut den ena änden av gemen och tejpa fast dem på varsin sida av muggen med den utvikta änden neråt.

Rotera fritt
Lägg spolen i den kvarvarande öglan på gemen och justera höjden så att spolen kan rotera fritt bara någon millimeter ovanför magneterna. Justera spolen så att den roterar fritt, centrerat och balanserat. Om spolen blir välbalanserad kommer motorn att gå mycket bättre.

När du väl bestämt hur mycket av tråden som behöver sticka ut utanför gemen kan du klippa av överskottet. Längden av ändarna beror på hur brett isär gemen sitter vilket i sin tur beror på storleken på den plastmugg du använder.

Om du använder ett batteri, sätt det i en batterihållare. Du kan tillverka en batterihållare av en träkloss och fyra spikar som bilden ovan visar. Med krokodilklämmorna kan du ansluta batteriet till motorn genom att koppla den ena batteripolen till det ena gemet och den andra batteripolen till det andra gemet.

Få spolen att snurra
Hjälp spolen att börja snurra. Om spolen inte fortsätter att snurra av sig själv, kontrollera att den snurrar välbalanserad.

Kontrollera även att trådändarna är rena och ger kontakt på ena sidan men att halva tråden är isolerad så att det inte blir någon kontakt när spolen vridits ett halvt varv och att spolen och magneterna kommer nära varandra men utan att det tar emot någonstans. Du kan eventuellt också prova att variera avståndet mellan gemen.

Fortsätt dina justeringar tills motorn fungerar bra, ha tålamod. Normalt sett resulterar konstruktionen i en väl fungerande motor.

Vad är det som händer?

När det går ström genom spolen blir denna en elektromagnet. Den ena sidan av spolen får en magnetisk nordända och den andra en sydända. Permanentmagneten drar till sig den ena av dessa sidor beroende på hur magneten är vänd och repellerar den andra sidan av spolen. Detta får spolen att vrida sig.

Ett annat sätt att beskriva spolens rörelse är att säga att permanentmagneten påverkar strömmen genom spolen med en viss kraft. När spolen är orienterad vertikalt kommer krafterna på spolens övre och nedre del att vara riktade i motsatta riktningar. Dessa motriktade krafter får spolen att vrida sig.

Vikten av isolering
Varför är det så viktigt att den ena halvan av den utstickande tråden är isolerad? 

Antag att permanentmagneterna är vända så att nordändan är vänd uppåt. Nordändan av permanentmagneten kommer då att dra till sig den ända av spolen som har en sydända och stöta bort nordändan.

Så snart spolens sydända vänt sig mot permanentmagnetens nordända vill den stanna där. Ett försök att få spolen att vrida sig får bara till följd att den svänger lite fram och tillbaka kring ett jämviktsläge.

Ingen ström
Genom att den ena sidan av tråden är isolerad kan det inte gå någon ström genom spolen under halva varvet. Det innebär även att magnetismen i spolen stängs av under halva varvet.

Så snart spolens sydända kommit nära permanentmagnetens nordända stängs strömmen av och av bara farten fortsätter spolen att vrida sig förbi läget där isoleringen har hindrat strömmen. När strömmen sedan går genom spolen igen kommer krafterna att vrida spolen i samma riktning som tidigare och spolen fortsätter att rotera i samma riktning.

I denna motor kommer kontakten mellan spolens trådändar och gemen att brytas under halva varvet. En släpkontakt av den här typen kallas kommutator.

Dubbelt så effektiv
En vanlig elmotor har en något mer komplicerad kommutator som vänder strömriktningen genom spolen för varje halvt varv. Detta gör att den vridande kraften verkar under hela varvet och motorn blir då dubbelt så effektiv som den som beskrivits här.

Denna motor kan också användas för att demonstrera hur en generator fungerar. Koppla gemen till ett mätinstrument i stället för till ett batteri. Snurra spolen och se om instrumentet visar att det går någon ström i kretsen. 

Pulserande likström
Med en spole med bara några få varv och med svaga magneter kommer strömmen att bli mycket svag, därför behövs ett mycket känsligt mätinstrument. Strömmen från denna generator blir en så kallad pulserande likström. Strömmen går hela tiden i samma riktning men den kommer i pulser. Det kan ju bara komma ström när spolen är i det läge där den har elektrisk kontakt med gemen och mätinstrumentet.

Alternativ lösning

Ett alternativ till ovanstående elmotor ser du på den här bilden.

Denna motor fungerar efter precis samma princip som den föregående och denna motor är också den lätt att tillverka. Skillnaden är att här krävs tillgång till lite fler verktyg.

Spolen består av tio varv lackerad koppartråd (ett lackskikt blir inte lika tjockt och skrymmande som vanlig isolering). Spolen är lindad på ett litet batteri av storlek ”R6” för att få en jämn och lagom stor spole. Magneten är hämtad från ett magnetlås av den typ som finns till exempel i köksskåp och är fastsatt med en häftkudde. 

Lagren för spolen är två gem, 30 millimeter långa, som ger en lagom styv 1 millimeter tjock tråd. Öglorna i lagren är böjda med hjälp av en böjtång. I träplattan, som motorn monteras på, borras fyra hål med diametern en millimeter (se bilden ovan). 

Kräver försiktighet
Denna borrning kräver viss försiktighet eftersom det är mycket lätt att bryta ett så litet borr. Hålen borras genomgående och trådarna till lagren klipps av först sedan man justerat in lämplig höjd för spolen. 

De trådändar som sticker ut från spolen måste naturligtvis vara isolerade och avisolerade på samma sätt som tidigare.

Om du använder en lackerad koppartråd är det enklast att bara skrapa av lacken på den ena halvan av tråden. Det är naturligtvis lika viktigt här att det är rätt halva som har isoleringen kvar.

(Materialet ingår i Science Snacks och är översatt av NRCF med tillstånd av The Exploratorium, San Francisco. Besök deras hemsida för mer inspiration, ny flik)