Jedliks elektromotor

I årene efter at Ørsted i 1820 havde opdaget, at der er en forbindelse mellem elektrisk strøm og magnetisme, startede der en mængde aktiviteter med undersøgelse af denne relation. I de første år var resultaterne videnskabeligt interessante, men de pegede ikke umiddelbart på nyttige anvendelser, Det gjorde til gengæld i 1827 den ungarske fysiker Ányos Jedliks konstruktion af den første elektromotor. Motoren opbevares stadig på "Museum of Applied Arts" i Budapest, og museet fortæller, at motoren stadig virker.

På billedet til højre viser vi den elektromotor, som Jedlik konstruerede i 1827. Det var 3 år efter at Sturgeon havde konstreret de første elektromagneter. På træunderlaget er der fastgjort et langstrakt bundt af isolerede ledninger. Egentlig er de én ledning, som er viklet op så den danner den langstrakte oval. Ledningen får strøm fra et batteri, der ikke er vist på billedet. Den roterende del af elektromotoren er én lang elektromagnet, som får en nordpol og en sydpol i enderne, når man sender strøm igennem den. Den kan rotere under den øverste vandrette del af ledningsbundtet. Metallet inde i elektromagneten er blødt jern. Det medfører, at når strømmens retning vendes, så bytter nordpol og sydpol plads. Den snedige del af Jedliks konstruktion befinder sig nede i den cylindriske beholder i midten. Vi vender tilbage til den senere.

Den roterende magnetiske stang tegnes her meget forsimplet, sådan som vi viser til højre. Der er en ledning, som er viklet en masse gange rundt om stangen. Vi har valgt ikke at tegne den ledning på billedet. Der går strøm i den ledning, så stangen får en nordpol og en sydpol. Stangen har en rød ende og en blå ende. Så kan man kende enderne fra hinanden. N viser, at strømmen går sådan, at der er en nordpol i den røde ende. Så kaldes stangen nordstangen. Vi får brug for at vende strømmens retning. Så skriver vi N i den blå ende, og vi kalder stangen sydstangen.

Til højre viser vi nogle af de feltlinjer som skabes af ledningsbundtet, når strømmen går i den retning, som de gule pile viser. Husk at pilene på feltlinjerne viser den retning, som kraften på en magnetisk nordpol går i. En magnetisk sydpol påvirkes af feltet modsat pilenes retning. På billedet herunder ser man hvordan feltlinjerne ser ud set nedefra. Det kan være vanskeligt at bedømme på baggrund af billedet her, men det fremgår tydeligt af billedet nedenfor. De 2 vandrette ledninger skaber også et magnetisk felt omkring sig. Mellem de to vandrette ledninger er feltet rettet nedad, og så har det ingen indflydelse på stangens rotation.

På billedet til højre viser vi hvordan situationen er på et starttidspunkt set nedefra. Nordenden befinder sig i et kraftigt magnetfelt, der skubber opad på figuren. Sydenden, der er en sydpol, bliver skubbet nedad af magnetfeltet. De nævnte kræfter er så stærke at de får stangen til at rotere mindst 135°. Det sker selv om stangens poler er væk fra magnetfeltet, allerede når stangen har drejet sig 20°.

Vi afslutter denne beskrivelse af Jedliks elektromotor med en række billeder, der viser hvordan motorens bevægelse ser ud nedefra. Den grå cirkel er rotationsaksen set nedefra. Den er lavet af et isolerende materiale, f.eks. glas. Øverst (altså længst væk på billedet) ser man stangnord, som sidder fast øverst på rotationsaksen. Den brune ringformede figur er kun få mm tyk. Den sidder fast på rotationsaksen, og den er lavet af et ledende materiale, f.eks. kobber. Enderne af spolen rundt om nordstangen er fastgjort på hver sin halvdel af den brune figur. Der er to hvide hakker i den brune figur, så der kan ikke løbe strøm fra den ene halvdel til den anden. Strømmen til spolen kommer af den øverste grønne ledning. Fra den løber den ind i den brune figur og ned til den korte tykke røde ledning, som er en af enderne af den ledning, der er viklet rundt om nordstangen. Strømmen fortsætter så en masse gange rundt om stangen, og det ender med at den forlader stangen gennem den tykke blå ledning. Til sidst løber strømmen op i den brune ring, og derfra tilbage til batteriet gennem den nederste grønne ledning. På figuren ser det ud som om de grønne ledninger kan danne en kortslutning mellem de to brune figurer. Det spiller imidlertid ingen rolle, fordi rotationsakslen og de brune figurer roterer meget hurtigt.

På billedet til højre viser vi situationen, når nordstangen har drejet sig 45° i forhold til udgangssituationen. Rotationen er hurtig, selv om polerne ikke længere befinder sig i et stærkt magnetfelt. Husk at det hele er set nedefra. Rotationen hæmmes af gnidningsmodstand. Der må være gnidning i de lejer der holder gnidningsaksen på plads. Der er også gnidning der hvor de grønne ledninger gnider på den brune ring. Der er også luftmodstand mod stangens rotation. Rotationshastigheden er bestemt af gnidningsmodstanden. Jedliks eksemplar af elektromotoren findes stadig nede i Ungarn, og det meddeles, at den roterer hurtigt, når man tænder for strømmen.

Her viser vi så hvad der sker, når nordstangen drejes mere end 90°. Nu går strømmen ned i den blå ende af stangen, altså modsat før. Derfor er det den blå ende af stangen, der bliver nordpol, sådan som det er vist på figuren. Den hurtige rotation fortsætter, og lidt efter trækker magnetfeltet sydenden nedad til et stærkere og stærkere felt, så rotationshastigheden genoprettes. Dene konstruktion med at bytte polerne kaldes en kommutator. Den bruges også i dag, og den har fået en enorm betydning.

Her har vi drejet aksen 270° ud fra startstillingen. Bemærk at det er den røde ende, der er sydpol. Den røde ende er i et magnetfelt, der trækker kraftigt nedad. Den blå ende er i et område et område, hvor den trækkes kraftigt opad.

Nu har stangen drejet sig en halv omgang, og den starter nu med at dreje videre. På den måde fortsætter det, tankegangen er den samme, som vi har beskrevet ovenfor.

Vi har dels beskrevet motorens konstruktion, hvor den mest overraskende detalje er de hvide hakker i den brune ring. Og så har vi fortalt, hvorfor netop kommutatoren er den opfindelse, der får det hele til at virke.