Эксперимент

Учебные модели электродвигателей

Рассмотрена история создания учебных моделей униполярного и коллекторного электродвигателей. Показано, что их совершенствование происходило в направлении повышения временной, материальной и интеллектуальной доступности для учащихся. На примере моделей электродвигателей подтверждена необходимость дидактических исследований с целью создания новых элементов учебной физики.

Эволюция учебных моделей электродвигателей очень интересна и весьма поучительна. Но, как и любая история, она полезна лишь постольку, поскольку из неё делаются выводы на будущее. Попробуем из краткой и далеко не полной «биографии» учебных электродвигателей извлечь пользу для развития современного школьного физического образования.

1. Униполярный электродвигатель
Всё началось в 1820 г., когда Эрстед открыл, что вокруг проводника с током существует вихревое магнитное поле. Многие сразу догадались, что такое поле должно вращать магнит вокруг проводника [1]. Фарадей оказался первым, кто прямым экспериментом подтвердил справедливость этой идеи.
Экспериментальная установка Фарадея в разрезе изображена на рис. 1. Она состоит из двух стоящих рядом сосудов, наполненных ртутью. В левом сосуде 1 плавает магнит 2, за нижний конец привязанный ко дну сосуда. В ртуть этого сосуда погружён конец металлической проволоки 3, неподвижно закреплённой по оси сосуда в металлическом держателе 4. На втором конце указанного держателя имеется крючок, на котором свободно висит проволока 5, своим концом погружённая в ртуть правого сосуда 6. По оси этого сосуда в металлической трубке нижним концом закреплён магнит 7. Когда через ртуть в сосудах и металлический держатель пропускается электрический ток, магнит в первом сосуде и проволока во втором начинают вращаться вокруг осей сосудов.
Явление объясняется действием силы Ампера на проводник с током, находящийся в магнитном поле. Направление вращения легко определить по правилу левой руки.

Так в 1821 г. был создан первый электродвигатель, который получил название униполярного, поскольку для его работы необходим только один полюс магнита. Впоследствии было разработано немало учебных приборов, предназначенных для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя [2]. На рис. 2 изображён прибор, в котором вокруг постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2. Середина рамки соединена с остриём, которое погружено в чашечку со  ртутью 3, концы рамки опущены в кольцевой сосуд со ртутью 4.

Аналогичный прибор представлен на рис. 3, но в нём вместо постоянного магнита, расположенного внутри вращающейся рамки, использована катушка с током 1, лежащая возле кольцевого сосуда 2 со ртутью вне рамки 3, вращающейся вокруг стойки с ртутным контактом 4.

На рис. 4 изображён прибор, в котором постоянный стержневой магнит 1 вращается вокруг собственной оси, когда по нижней половине магнита проходит электрический ток. Цепь замыкается благодаря закреплённому на магните контакту 2, конец которого погружён в кольцевой сосуд 3 со ртутью.
Все эти приборы применялись в лекционных демонстрациях университетов ещё в первой половине ХХ в., когда в учебных лабораториях широко использовалась ртуть. Дело в том, что ртуть, обладая хорошей проводимостью, обеспечивает надёжный электрический контакт с металлическими проводниками и в то же время оказывает сравнительно небольшое механическое сопротивление движению этих проводников. Однако пары ртути ядовиты, и постепенно ртуть была вытеснена из учебного эксперимента. Возникла потребность в униполярном двигателе без ртути.
Одним из тех, кто решил проблему, был московский учитель физики М.Е.Островский [3]. Целью его дидактического исследования являлось создание доступного униполярного электродвигателя, полностью удовлетворяющего правилам техники без­опасности. Требование доступности означает использование в приборе только того оборудования, которое имеется в школьном кабинете физики или в крайнем случае может быть изготовлено в школьной мастерской. Требование безопасности означает исключение из прибора ртути и использование в опыте безопасных напряжений и токов.
В результате получилась экспериментальная установка, схематически показанная на рис. 5. Посередине полосового магнита 1 закреплено медное кольцо 2. Поверх­ности кольца касается диск 3, припаянный к концу медной проволоки 4. Ко второму концу этой проволоки припаян выполненный в виде конуса наконечник 5 из мягкой стали. Наконечник удерживается полюсом подковообразного магнита 6, второй полюс которого зажат в лапке штатива. Постоянный электрический ток проходит через полосовой магнит, медное кольцо, диск, проволоку и подковообразный магнит. Когда сила тока достигает 5–6 А, проволока начинает вращаться вокруг магнита.
Из приведённого описания видно, что  ртуть в контактах заменена твёрдым металлом, а вместо силы жидкого трения действует сила трения качения. Магнитный подвес проволоки резко упростил всю установку, однако она всё же не столь доступна, чтобы её мог повторить любой школьник у себя дома. Поэтому можно было предвидеть дальнейшее совершенствование учебного униполярного электродвигателя.
И следующий шаг действительно был сделан. Он связан с существенными изменениями ноосферы, т.е. той части естественной и искусственной природы, с которой непосредственно взаимодействует и которую создаёт человек. Действительно, в последние десятилетия в связи с бурным развитием технологии кардинально изменился состав и уровень бытовой техники. В частности, появились и получили широкое распространение сильнейшие постоянные магниты и мощные гальванические элементы.
Магниты изготавливаются из сплава редкоземельного металла неодима, железа и бора, поэтому и называются неодимовыми [4]. Они обладают огромной остаточной магнитной индукцией и весьма значительной коэрцитивной силой. Изготавливаются неодимовые магниты самой различной формы, в том числе и в виде дисков (рис. 6). Применяются они, например, в электродвигателях компьютеров, в телефонах наушников, в маломощных динамиках и т.д. Что касается современных гальванических элементов, то они имеют большую ёмкость и обеспечивают при коротком замыкании электрический ток порядка единиц ампер.


Этот технический прогресс немедленно привёл к созданию простейшей модели униполярного двигателя [5], фотография которой приведена на рис. 7. Постоянный магнит 1 в форме диска примагничен к шляпке стального шурупа-самореза 2 (и электрически соединён с ней). Остриё шурупа примагничено к стальному положительному полюсу гальванического элемента 3. С отрицательным полюсом этого элемента соединён очищенный от изоляции конец многожильного медного проводника 4. Если вторым концом этого проводника слегка коснуться боковой поверхности магнита, магнит и шуруп приходят в быстрое вращение вокруг оси!
Нетрудно видеть полную аналогию между электродвигателями, показанными на рис. 4 и 7. Но насколько второй электродвигатель проще и доступнее! Думается, нет ни одного учителя физики, который, увидев этот электродвигатель, не покажет его в своём классе или не посоветует ученикам повторить его дома.
На рис. 8 дана фотография современного униполярного электродвигателя [5], аналогичного изображённым на рис. 2, 3. Для изготовления этого электродвигателя достаточно к отрицательному полюсу гальванического элемента 1 примагнитить мощный дисковый магнит 2 из неодима, а на положительном полюсе элемента уравновесить рамку 3 из медной проволоки так, чтобы её концы слегка касались боковой поверхности магнита. Как только это получится, рамка начнёт вращаться вокруг оси магнитного поля к полному восторгу учащихся.
Убеждён, что не останется ни одного школьника, кто не захочет узнать, почему происходит вращение. С грустью констатирую, что эти прекрасные физические приборы созданы не российскими учителями или методистами.

2. Коллекторный электродвигатель
С коллекторными электродвигателями всё не так однозначно, как с униполярными. Электродвигатель, включающий статор 1, якорь 2 и коммутатор 3 (рис. 9), по-видимому, одним из первых построил в 1834 г. Б.С.Якоби [6]. До него конструкторы делали электродвигатели чаще всего по подобию паровых машин. Первый коллекторный электродвигатель, подобный современным, построил, насколько нам известно, А.Пачинотти только в 1860 г. [7].
Учебные коллекторные электродвигатели представляли собой упрощённые модели промышленных и содержали те же основные элементы: статор, якорь и коллектор. Фотография современного демонстрационного коллекторного электродвигателя приведена на рис. 10 (1 – статор из постоянных керамических магнитов, 2 – вращающийся якорь с обмоткой, 3 – коллектор). Набор элементов, из которых собирается этот электродвигатель, предложен ещё в 70-е гг. прошлого века известным специалистом в области учебного физического эксперимента С.А.Хорошавиным [8].
Были разработаны также конструкции коллекторных электродвигателей, предназначенные для самостоятельного изготовления учащимися. Приведём лишь два характерных примера.
В 1937 г. появилась переводная книга Б.Доната «Физика в играх» [9], в которой на шести  (!) страницах подробно описан процесс изготовления самодельного электродвигателя. Чтобы получить представление об этом процессе, достаточно взглянуть на серию рисунков, раскрывающих технологию изготовления прибора (рис. 11). Сразу видно, что это отнюдь не простое дело. Говорю об этом с полной убеждённостью, т.к. сам, будучи шестиклассником, чтобы сделать и заставить работать такой электродвигатель, трудился целую неделю.
Спустя два десятилетия в книгах [10, 11] практически без описания рекомендуется сделать коллекторный электродвигатель по рис.  12. Прямо скажем, что это совсем нелёгкая задача, и школьнику потребуется немало времени и сил, чтобы решить её.
Наконец, появление керамических постоянных магнитов позволило разработать простейшие модели коллекторного электродвигателя [5]. На рис. 13 приведена фотография одной из таких моделей. На стоящей вертикально батарее гальванических элементов 1 лежат один или два керамических магнита 2. На полюсах батареи закреплены зажимы типа «крокодил» 3. В отверстия этих зажимов вставлены выводы катушки 4, содержащей примерно 10 витков медного провода в изоляции. Изоляция выводов снята полосками так, чтобы электрическое соединение было обеспечено, когда плоскость катушки совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля, т.е. вертикальна.


В этой модели имеются все элементы настоящего электродвигателя: источник тока, статор, якорь и коллектор. Вместе с тем такой электродвигатель может собрать любой школьник в течение нескольких минут и тут же убедиться, что он работает.
Гораздо существеннее, впрочем, то обстоятельство, что различных вариантов моделей электродвигателей, представленных на рис. 7, 8, 13, бесчисленное множество. Это позволяет организовать захватывающе интересную ученическую проектную деятельность, направленную на развитие коммуникативных и исследовательских способностей школьников.
3. Выводы
История учебных моделей электродвигателей свидетельствует о том, что учебные приборы возникают в результате дидактического исследования приборов, используемых в физической науке или технике. При этом создаются учебная теория прибора, учебный эксперимент, обосновывающий выводы теории, и методика их изучения. Выше рассмотрены только конструкции электродвигателей, т.к. учебная теория и методика изучения этих приборов общеизвестны.
Совершенствование учебных приборов идёт в направлении повышения их доступности для учителя и учащихся. Такое совершенствование достигается применением широко распространённых в быту приборов и материалов, возникших в результате внедрения в повседневную практику последних достижений физической науки и промышленной технологии.
Современные учебные электродвигатели, предназначенные для самостоятельного изготовления учащимися, практически ничего не стоят, т.к. всё необходимое имеется в быту, а изготавливать их можно за минуты или десятки минут. Принцип действия моделей прост и может быть усвоен любым школьником, начинающим изучать физику.
В процессе повышения доступности учебного оборудования для физического эксперимента возникает новое знание, относящееся к дидактике физики (некоторые предпочитают эту науку называть теорией и методикой обучения физике). Иными словами, создание новых и совершенствование известных учебных приборов представляет собой научную деятельность в сфере дидактики физики. И такая научная деятельность вполне по силам школьному учителю. В современной школе есть все условия для организации совместной научной деятельности учителя и ученика, результатом которой являются объективно (а не субъективно) новые знания. Этот факт часто не признаётся теоретическими методистами, относящими к науке лишь такую деятельность, которая сводится в основном к работе над словами и их сочетаниями. Учитель, создавший новую учебную технику и доказавший её эффективность, оказывается в худших условиях, чем тот, кто написал диссертацию по навязанным канонам. В итоге подавляющее большинство новых элементов учебной физики создаётся за рубежом. Эта грустная констатация показывает, что далеко не всё благополучно в научной деятельности, связанной с отечественным физическим образованием, и определяет направление её совершенствования.


Литература
1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982, с. 188–190.
2. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 4. Учение о магнитных и электрических явлениях. – Берлин: Госиздат, 1923, с. 672–678.
3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972, с. 70–72.
4. www.fiziks.org.ua/neodimovye-magnity
5. www.youtube.com
6. Шателен М.А. Русские электротехники XIX века. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1955.
7. Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970.
8. Хорошавин С.А. Техника и технология демонстрационного эксперимента: Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1978.
9. Донат Б. Физика в играх. – М.–Л.: Детгиз, 1937.
10. Покровский С.Ф. Опыты и наблюдения в домашних заданиях по физике. – М.: Изд-во АПН РСФСР, 1963.
11. Покровский С.Ф. Наблюдай и исследуй сам. – М.: Просвещение, 1966.