Методические страницы

Колесо Барлоу в учебных экспериментах

См. также № 15, 17, 19/2009

Предложена серия учебных исследовательских проектов простых электродвигателей, построенных по схеме колеса Барлоу. Статья написана так, что её можно непосредственно рекомендовать учащимся для изучения и последующего планирования исследовательского проекта. При необходимости учитель может давать школьникам отдельные задания, используя для их формулировки соответствующие фрагменты статьи.

1. Что такое колесо Барлоу?

Через год после создания в 1821 г. первого униполярного двигателя М.Фарадей получил письмо от П.Барлоу (1776–1862), в котором был описан новый электродвигатель (рис. 1), названный впоследствии колесом Барлоу.

Чтобы быстрее разобраться в конструкции колеса Барлоу, обратимся к рис. 2, на котором изображена демонстрационная модель этого двигателя. Вы видите, что на штативе закреплена металлическая вилка-держатель, в котором на оси вращается металлический диск. Нижний край диска находится между полюсами постоянного подковообразного магнита и погружён в небольшой металлический сосуд со ртутью. Все детали двигателя, кроме магнита, изготовлены из неферромагнитных металлов. Питание на двигатель подводится к оси диска и к металлическому сосуду с ртутью. Электрический ток, проходя по направлению радиуса диска вниз, оказывается в магнитном поле. При этом на ток действует сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки.

Физической причиной силы Ампера является сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на отрицательно заряженные электроны, которые движутся в направлении, противоположном направлению тока.

На рис. 3 приведены фотографии различных конструкций колеса Барлоу, которые мы нашли в интернете. У всех этих конструкций два недостатка: они относительно сложны и для работы двигателей нужна ртуть. Возникает правомерный вопрос: возможно ли разработать безопасную и простейшую модель колеса Барлоу, которую можно собрать за несколько минут?

2. Обсуждаем исследовательские проекты

Начнём с анализа известных конструкций колеса Барлоу. В первую очередь обращает на себя внимание ртутный контакт. В принципе, ртуть можно заменить электролитом, но через электролит при комнатных температурах не удастся пропустить сколько-нибудь значительный ток. Поэтому имеет смысл попробовать осуществить сухой контакт между неподвижным электродом и краем вращающегося диска.

Второе обстоятельство очевидно для всех, кто когда-нибудь имел дело с вращающимися колёсами. Если ось вращения колеса горизонтальна, т.е. плоскость колеса вертикальна, то необходимо сильно постараться, чтобы такое колесо находилось в безразличном равновесии. Иными словами, вертикально расположенный диск Барлоу нужно сделать очень тщательно, чтобы он был хорошо сбалансированным. В противном случае центр масс диска окажется не на оси вращения, и мы получим физический маятник, который будет стремиться занять положение устойчивого равновесия. Так как сила Ампера, действующая на электрический ток, сравнительно невелика, заставить вращаться такой диск непросто. Отсюда следует, что, возможно, лучшее расположение диска Барлоу не вертикальное, а горизонтальное.

Допустим, вы сделали колесо Барлоу и убедились, что оно действительно крутится. Это немало, т.к. при этом вы экспериментом доказали, что на ток в проводнике в самом деле действует сила Ампера, причём в полном соответствии с правилом левой руки. До того, как ваше собственное колесо Барлоу начало крутиться, вы могли только верить в существование силы Ампера, если, конечно, учитель не показывал соответствующие опыты на уроках. А вера и достоверное знание – это совершенно разные вещи. Кроме того, вы самостоятельно и успешно поставили физический эксперимент, а это ни с чем не сравнимая радость, очень похожая на радость первооткрывателя. Что же дальше?

Попробуйте заставить колесо Барлоу вращаться вокруг магнита. Решив эту задачу, попытайтесь сделать из колёс Барлоу двухколёсную электрическую тележку.

Это могут быть два новых исследовательских проекта, за выполнение которых вы можете взяться сами или привлечь к работе над ними своих товарищей.

Самое сложное в творческой деятельности учёного или изобретателя – это осознать проблему и сформулировать задачи, решение которых снимет эту проблему. Попытайтесь сделать это самостоятельно, думая о том, что вы только что узнали.

Если это получилось, приступайте к решению задач, вытекающих из проблемы исследования. На первых порах вполне достаточно, если вы сможете предложить лишь идеи решения чётко сформулированных задач. Если это не удалось, можно не тратить время на длительные размышления, а сразу обратиться к приведённым ниже описаниям экспериментов. В конце концов, даже если вы просто воспроизведёте рассмотренные здесь приборы и опыты, то научитесь таким вещам, которым невозможно научиться иным способом.

3. Простейшая модель колеса Барлоу

Итак, вы решили построить колесо Барлоу, вращающееся в горизонтальной плоскости. Понятно, что для него нужен неферромагнитный проводящий материал. На рис. 4 приведена фотография оборудования, которое можно использовать: латунный диск, ось, две гайки, две стальные линейки, спичечный коробок, цилиндрический неодимовый магнит, батарейка и два проводника.

Подберите ровный лист латуни или бронзы и аккуратно вырежьте из него круг диаметром 80–120 мм. Точно в центре круга просверлите отверстие диаметром 3 мм и вставьте в него заострённый с обоих концов отрезок винта длиной 15–20 мм с резьбой М3. Симметрично закрепите этот отрезок на диске двумя гайками и получите металлический диск с осью. Разумеется, изготовить ось и закрепить её на диске можно самыми различными способами, мы рассказали лишь об одном.

Теперь нужно сделать вилку, в которой будет вращаться колесо. Возьмите спичечный коробок и между его крышкой и ёмкостью для спичек просуньте две полоски размером примерно 20 × 200 мм, вырезанные из оцинкованного железа. Вполне подойдут и две стальные линейки. Расположите между ними диск так, чтобы его ось касалась обеих полосок. Крутаните диск и убедитесь, что он легко вращается и не выпадает из вилки. Чтобы повысить надёжность конструкции, в железных полосках вилки можно сделать кернером углубления под острия оси.

Осталось выполнить эксперимент. Под колесо возле его края поместите неодимовый магнит так, чтобы между ним и колесом остался промежуток в несколько миллиметров. Гибким многожильным проводником в полихлорвиниловой изоляции соедините одну из полосок вилки с полюсом батарейки. Ко второму полюсу подключите такой же проводник. Очистите свободный конец этого проводника от изоляции и отогните назад все его жилы, кроме одной. Этой тонкой жилой прикоснитесь к краю диска над магнитом, и вы увидите, что диск приходит во вращение! Контакт будет надёжнее, если жилы проводника распушить, как кисточку.

4. Колесо Барлоу, бегущее вокруг магнита

Если вращающееся колесо Барлоу (см. рис. 2) поставить на горизонтальную поверхность, то, в принципе, оно может побежать по этой поверхности. Но наше колесо Барлоу (см. рис. 4) вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр. Значит, поверхность, по которой оно способно бежать, тоже должна быть вертикальной.

А как быть с магнитом? Может быть, в опыте использовать несколько кольцевых керамических магнитов?

Так мы приходим к идее колеса Барлоу, бегущего вокруг магнита. На рис. 5 приведена фотография соответствующего прибора и необходимого для его сборки оборудования. Внутрь латунного цилиндра диаметром 65 мм и высотой 25 мм положены два или три кольцевых керамических магнита диаметром примерно 60 мм от старого динамика. Внешней поверхности цилиндра касается латунное колёсико диаметром 35 мм, припаянное к стержню диаметром 2 мм и длиной 250 мм из медной проволоки. К концу медного стержня припаян железный сердечник, изготовленный из гвоздя диаметром 3 мм. Сердечник примагничен к полюсу подковообразного магнита, зажатого в лапке штатива. Напряжение на устройство подаётся двумя проводниками, один из которых соединён с латунным цилиндром, а второй – примагничен к свободному полюсу магнита.

При подаче напряжения колёсико немедленно начинает вращаться вокруг магнита, перемещаясь по боковой поверхности цилиндра. Если полярность источника питания сменить на противоположную, колёсико начинает двигаться в другую сторону.

Определите полюсы кольцевого керамического магнита, найдите направление силы Ампера и убедитесь, что движение происходит в полном соответствии с законами электродинамики.

5. Самобеглая тележка с колёсами Барлоу

Теперь осталось только сделать самодвижущуюся тележку с колёсами Барлоу. Понятно, что такая тележка должна содержать минимум два колеса, т.е. представлять собой колёсную пару. Напряжение на колёса можно подавать посредством двух рельсов, на которые установлена колёсная пара.

Рельсы проще всего изготовить из двух полосок алюминиевой фольги. Поставив на них колёсную пару из неодимовых магнитов, соединённых проводником, и подав на рельсы напряжение, вы увидите, как тележка из колёс Барлоу бежит в ту или иную сторону (рис. 6)! Самое сложное в этом опыте добиться соосности всех элементов колёсной пары. Мы поступили так: на токарном станке в стальном стержне диаметром 10 мм и длиной 100 мм с двух сторон сделали посадочные места диаметром 9 мм и шириной 4 мм. На эти места посадили кольцевые неодимовые магниты внутренним диаметром 9 мм. Такая колёсная пара уверенно бегает по горизонтальной поверхности, если на рельсы подать напряжение от батареи гальванических элементов.

Выясните, какой должна быть ориентация неодимовых магнитов, чтобы оба колеса пары крутились в одну сторону.

6. Ещё одна тележка Барлоу

А можно ли вообще избавиться от рельсов? Очевидно, для этого источник питания нужно брать в путь с собой. Батарейка вряд ли подойдёт, потому что ёмкость её сравнительно невелика. Действительно, колесо Барлоу заставляет работать источник питания в режиме короткого замыкания, а какой батарейке это понравится? Вытерпеть это может только аккумулятор, его мы и рекомендуем использовать в опытах.

Итак, вы зарядили цилиндрический аккумулятор, например, типа GP ёмкостью 920 мА · ч. Примагнитьте к его полюсам цилиндрические неодимовые магниты. Сделать это нужно настолько тщательно, насколько это возможно. Дело в том, что небольшое смещение магнитов относительно оси батарейки приведёт к тому, что колёсная пара не сможет находиться в безразличном равновесии на ровной горизонтальной поверхности. В этом случае силы Ампера может не хватить, чтобы привести её в движение. Не забывайте также, что для успеха опыта важна правильная ориентация полюсов магнитов.

Поместите изготовленную колёсную пару на ровную столешницу и замкните полюсы проволочной перемычкой. Колёсная пара побежит по столу, таща за собой перемычку (рис. 7). Понятно, что тот же результат получится, если колёсную пару не замыкать перемычкой, а положить на горизонтальную проводящую поверхность, например, на лежащий на столе лист алюминиевой фольги.

7. Для самостоятельного исследования

Вы прочитали статью и, возможно, даже воспроизвели некоторые опыты. А как же проекты?

Их надо проектировать! Главное в проекте – это сам проект. Никто, кроме вас самих, не в состоянии предложить вам полноценный план действий, который вы захотите выполнить. Вместо проекта в лучшем случае вы можете получить обычную учебную задачу. Нужно самостоятельно и для себя, используя всю доступную информацию, разработать исследовательский проект.

Скажем, учитель предложил вам тематику возможных проектов и дал ссылки на источники информации. Надо познакомиться с тем и другим и определиться, чего именно вы хотите добиться и насколько сильно ваше желание получить то, что задумано. Может быть, вообще не стоит браться за это дело, а полезнее заняться чем-нибудь другим?!

Первый и самый необходимый шаг – это осознанное и страстное желание достичь поставленной цели. А дальше надо хорошо подумать о том, как это сделать, и составить более или менее подробный план действий. Тут на помощь придёт учитель, обладающий большим опытом творческой деятельности. Его советы помогут приобрести необходимые для выполнения проекта знания и умения, избежать очевидных промахов, потери времени, физических и иных ошибок. Наконец, именно учитель подскажет, как подготовить достойную презентацию выполненного проекта, научит выступать перед аудиторией, отвечать на вопросы и дискутировать при публичной защите проекта.

Вы спросите: ну, какие ещё могут быть проекты, если в статье подробно рассказано и показано, как всё это нужно делать?! Ничего подобного. В статье ни слова не говорится о величине силы Ампера, о значениях силы тока в опытах, о внутреннем сопротивлении источников, о токе короткого замыкания, об измерении индукции магнитного поля, о конфигурации силовых линий поля вокруг кольцевого керамического магнита, о правильной ориентации полюсов магнитов на колёсных парах, о том, что представляет собой неодимовый магнит, и... Надо ли продолжать?

Теперь несколько слов для учителя. Под ученическим проектом мы понимаем упорядоченную совокупность планируемых действий школьника, направленную на полное решение осознанной им проблемы. Следует иметь в виду, что на начальном этапе существенно не столько осознание проблемы, сколько достаточно сильное желание достичь цели, связанной с её решением. Метод проектов – это один из видов творческих методов обучения, характерной особенностью которого является полнота и завершённость творческого процесса. Составление и выполнение проекта предполагает совместную творческую деятельность учащегося и учителя. По ожидаемому результату проекты делятся на исследовательские и учебные: в первых предвидится возможность получения объективно нового результата в учебной физике, во вторых планируется получение лишь субъективно нового результата.

8. Источники информации

1. Майер В.В. Об учебных моделях электродвигателей. – Физика-ПС, 2008, № 22, с. 19–22.
2. Майер В.В., Вараксина Е.И. Учебные униполярные электродвигатели. – Физика-ПС, 2009, № 15, с. 6–8.
3. www.ssplprints.com/lowres/43/main/50/129472.jpg
4. en.wikipedia.org/wiki/Barlow’s_Wheel
5. www.physics.brown.edu/physics/demopages/Demo/em/demo/5k2060.htm
6. www.sparkmuseum.com/MOTORS.HTM
7. guptaagenciesindia.com/barlow-wheel.html
8. physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Barlows_Wheel/Barlows_Wheel.html
9. www.physics.montana.edu/demonstrations/video/5_electricityandmagnetism/demos/barlowswheel.html