Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest silnik unipolarny, przetwarzajacy energi e elektryczn a na energi e mechaniczn a ruchu obrotowego, maj acy zastosowanie w technice jako podzespó l nap edowy oraz w pracowniach fizycznych, zw laszcza studenckich i szkolnych, do demonstracji w la sciwo sci pola ma- gnetycznego. Znany silnik unipolarny opisany jest w ksi azce Szczepana Szczeniowskiego, pt. „Fizyka do- swiadczalna, cz. III, elektryczno sc i magnetyzm”, wydanej przez Pa nstwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1966 r. Silnik ten sk lada si e z d lugiego, pionowego, przewodz acego magnesu, zako n- czonego w górnej cz esci wg lebieniem wype lnionym rt eci a. Wokó l magnesu, w po lowie jego wysoko- sci, znajduje si e rynienka w kszta lcie okr egu równie z wype lniona rt ecia. W górnej cz esci silnika znaj- duje si e ramka wykonana z przewodnika, której ko nce dotykaj a powierzchni rt eci w rynience, a srod- kowa cz esc ramki zaopatrzona w ostrze opiera si e na rt eci wype lniaj acej wg lebienie magnesu. Dolny koniec magnesu oraz rynienka przy laczone s a do zród la pr adu sta lego. Dzia lanie tego silnika jest nast epuj ace: poziome odcinki ramki znajduj a si e w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes. Pole to ma sk ladow a pionow a, prostopad la do poziomych odcinków ramki. W odcinkach tych p lyn a pr ady elektryczne, skierowane w przeciwne strony. W wyniku tego, na poziome odcinki ramki dzia laj a przeciwnie zwrócone si ly elektrodynamiczne o równych warto sciach, tworz ace pary si l, których mo- ment wprawia ramk e w ruch obrotowy. W tej samej ksi azce Szczepana Szczeniowskiego opisany jest równie z znany silnik unipolarny nazywany ko lem Barlowa. Silnik ten sk lada si e z tarczy w kszta lcie ko la wykonanej z nieferromagne- tycznego przewodnika i mog acej obraca c si e w p laszczy znie pionowej dzieki u lozyskowaniu na po- ziomej osi. O s tarczy przechodzi przez otwory w przewodz acych wspornikach umieszczonych od do lu tarczy a najni zej po lo zony jej fragment zanurzony jest w metalowym naczy nku wype lnionym rt ecia. Wsporniki oraz naczy nko podlaczone s a do zród la pr adu sta lego. Jednocze snie dolna po lowa tarczy znajduje si e w polu magnetycznym, wytwarzanym przez magnes podkowiasty i skierowanym prosto- padle do p laszczyzny tarczy. Dzia lanie tego silnika jest nast epuj ace: przez fragment tarczy znajduj acy sie mi edzy jej osi a a brzegiem przep lywa pr ad elektryczny. Pr ad ten p lynie wzd luz promienia tarczy. Jednocze snie wspomniany fragment tarczy znajduje si e w skierowanym prostopadle do p lyn acego pr adu polu magnetycznym. W wyniku tego na tarcz e dzia la si la elektrodynamiczna skierowana stycz- nie do tarczy i prostopad la do jej promienia. Si la ta daje moment wprawiaj acy tarcz e w ruch obrotowy. Tak ze znany silnik unipolarny opisany jest w ksiazce Tadeusza Dry nskiego, pt. „Do swiadczenia pokazowe z fizyki”, wydanej przez Pa nstwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1966 r. Silnik ten sk lada si e z umieszczonej pionowo cylindrycznej cewki bez rdzenia, nawini etej na karkasie, które- go górny ko lnierz posiada rynienk e w kszta lcie pier scienia wype lnion a rt ecia. Nad cewk a zawieszony jest nieferromagnetyczny, przewodz acy pr et, mog acy obraca c si e wokó l górnego ko nca, za który jest on zawieszony, natomiast dolny koniec pr eta dotyka powierzchni rt eci znajduj acej si e w rynience. Górny koniec pr eta oraz rt ec znajduj aca si e w rynience przy laczone s a do zród la pr adu sta lego. Rów- nie z do zród la pr adu sta lego przy laczone s a ko nce cylindrycznej cewki. Dzia lanie tego silnika jest nast epuj ace: przep lywaj acy przez cewk e pr ad elektryczny powoduje, ze cewka wytwarza wokó l siebie pole magnetyczne. W tym polu magnetycznym znajduje si e zawieszony nad cewk a przewodz acy pr et, przez który przep lywa pr ad elektryczny. Wytwarzane pole magnetyczne ma symetri e osiow a i sk lado- w a prostopad la do kierunku pr eta. W wyniku tego na pr et dzia la si la elektrodynamiczna, której wektor le zy w p laszczy znie poziomej i jest skierowany prostopadle do kierunku pr eta. Si la ta daje moment wprawiaj acy pr et w ruch obrotowy po powierzchni bocznej sto zka. Równie z w tej samej ksiazce Tade- usza Dry nskiego opisany jest silnik unipolarny zwany ko lem Barlowa, taki sam jak w ksi azce Szcze- pana Szczeniowskiego z t a ró znic a, ze wsporniki osi tarczy znajduj a si e u góry. Inny, znany silnik unipolarny opisany jest w ksi azce autorstwa Richarda Manliffe Suttona, pt. „Demonstration Experiment In Physics”, wydanej przez wydawnictwo Mc Graw-Hill Company Inc. w Nowym Yorku i Londynie w 1938 r. Silnik ten sk lada si e z dwóch d lugich, pr etowych magnesów, zwróconych do siebie biegunami jednoimiennymi i ustawionych równolegle. W po lowie d lugo sci ma- gnesy te polaczone s a przewodz ac a, nieferromagnetyczn a tarcz a, w taki sposób, ze uk lad przypomi- na swoim kszta ltem liter e H. W srodku tarczy od góry przywi azana jest ni c przeznaczona do zawie- szenia uk ladu. Równie z w srodku tarczy od do lu przymocowane zosta lo metalowe ostrze zanurzone w naczy nku z rt eci a. Naczy nko to wykonano na górnym ko ncu nieferromagnetycznego, przewodz ace- go i pionowo ustawionego pr eta, umieszczonego w osi uk ladu. Do brzegu tarczy oraz do dolnej czesciPL 206 849 B1 3 pionowego pr eta przy laczono zród la zasilania pr adu sta lego, przy czym przy laczenie do brzegu tarczy wykonane zosta lo za pomoc a sprezystego kontaktu slizgowego. Dzia lanie silnika jest nast epuj ace: Pr ad elektryczny przep lywaj ac przez pionowy pr et wytwarza wokó l niego pole magnetyczne. Linie tego pola maj a kszta lt okr egów wspó lsrodkowych z pr etem. W polu tym znajduj a si e dolne bieguny magnesów, które zaczynaj a si e porusza c wzd lu z linii pola. Poruszaj ace si e magnesy daj a moment si ly wprawiaj acy wirnik silnika w ruch obrotowy. Jeszcze inny, znany model silnika unipolarnego ujawniony zosta l w ksi azce autorstwa G,D. Fre- iera i F. J. Andersena, pt. „A Demonstration Handbook for Physics”, wydanej przez American Associa- tion of Physics Teachers w College Park w 1996 r. Silnik ten sk lada si e z silnego magnesu sta lego w kszta lcie podkowy, wytwarzaj acego pole magnetyczne, którego linie skierowane s a poziomo. W polu tym znajduje si e wspornik wykonany z materia lu nie przewodz acego pr adu elektrycznego i posiadaj acy dwie miseczki wype lnione rt ecia. Do powierzchni rt eci w miseczkach dotykaj a ko nce nieferromagnetycznego drutu w kszta lcie odwróconej litery U. Zasada dzia lania tego silnika jest na- st epuj aca: po przy lo zeniu napi ecia sta lego do miseczek z rt ecia przez przewodnik p lynie pr ad elek- tryczny. Poniewa z przewodnik znajduje si e skierowanym prostopadle do niego polu magnetycznym, to dzia la na niego si la elektrodynamiczna skierowana pionowo w gór e. Si la ta powoduje wynurzenie ko nców przewodnika z rt eci i przerwanie obwodu. Wtedy przewodnik pod w lasnym ci ezarem opada i odzyskuje kontakt z rt eci a w miseczkach. Powoduje to zamkni ecie obwodu i powtórzenie opisanych procesów, w wyniku których przewodnik wykonuje ostatecznie ruch drgaj acy w p laszczy znie pionowej. Wszystkie, znane z wymienionych w stanie techniki silniki unipolarne maj a to, ze do zapewnie- nia kontaktu elektrycznego mi edzy poruszaj acymi si e elementami wymagaj a stosowania rt eci, która jak wiadomo, jest substancj a toksyczn a. Istota rozwi azania wed lug wynalazku polega na tym, ze silnik unipolarny sk lada si e z wirnika w postaci poziomej belki, zaopatrzonej od do lu w sto zkowe gniazdo, stanowi ace lo zysko do podparcia wirnika na pionowym, równie z sto zkowo zako nczonym, pr ecie, a do belki od do lu przymocowane s a dwa magnesy pr etowe umieszczone wzd luz belki i zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi za s od góry belka zaopatrzona jest w pionowy wa lek, s luzacy do wyprowadzenia nap edu na zewn atrz silnika, przy czym belka, pr et i wa lek wykonane s a z materia lu nieferromagnetycznego i odpornego na korozj e. Z kolei wirnik zanurzony jest w elektrolicie - korzystnie w wodnym roztworze kwasu siarkowe- go H 2 SO 4 lub chlorku sodowego NaCl o st ezeniu ok. 30%, i ten elektrolit wype lnia szklane, cylindrycz- ne naczynie, na którego dnie umieszczono p lask a ko low a elektrod e z przymocowanym w srodku pr e- tem, wspieraj acym wirnik. Podobn a elektrod a dotykaj ac a elektrolitu zamkni eto naczynie od góry z t a ró znic a, ze górna elektroda ma srodkowy otwór, przez który przechodzi wa lek do wyprowadzenia na- p edu oraz kilka mniejszych otworków przez, które uchodz a gazy wytwarzane podczas przep lywu pr a- du przez elektrolit ponadto do elektrod przy lozone jest sta le napi ecie za pomoc a przewodów, z któ- rych przewód przy laczony do dolnej elektrody przechodzi przez uszczelniony otwór w pobli zu dna naczynia. Zasada dzia lania silnika unipolarnego wed lug wynalazku polega na tym, ze przep lywaj acy w kierunku pionowym przez elektrolit pr ad elektryczny wytwarza wewn atrz elektrolitu pole magnetycz- ne, którego linie si l maj a kszta lt wspó losiowych okr egów a warto sc indukcji tego pola jest wprost pro- porcjonalna do odleg lo sci od osi naczynia, dlatego w takim polu dzia laj a si ly na bieguny magnetyczne, przy czym si ly dzia laj ace na bieguny le zace dalej od osi s a wi eksze i si ly te daj a moment decyduj acy o kierunku obrotu wirnika, który mo ze by c zmieniany przez zmian e kierunku pr adu przep lywaj acego przez elektrolit. Zaletami rozwi azania wed lug wynalazku s a prostota konstrukcji, brak rucomyckontaktów i nie- zawodno sc dzia lania silnika oraz wyeliminowanie naczy n z toksyczn a rt eci a. Przedmiot wynalazku pokazany jest w przyk ladzie wykonania na rysunku, na którym przedsta- wiono silnik w przekroju osiowym p laszczyzn a pionow a. Silnik unipolarny wed lug wynalazku sk lada si e z wirnika w postaci poziomej belki 1, zapatrzonej od do lu w sto zkowe gniazdo 2, stanowi ace lo zysko do podparcia wirnika na pionowym, równie z sto z- kowo zako nczonym, pr ecie 3. Do belki 1 od do lu przymocowane s a dwa magnesy pr etowe 4, umiesz- czone wzd lu z belki i 1 zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi. Od góry belka 1 zaopatrzona jest w pionowy wa lek 5, s luzacy do wyprowadzenia nap edu na zewn atrz silnika, przy czym belka 1, pr et 3 i wa lek 5 wykonane s a z materia lu nieferromagnetycznego i odpornego na korozj e. Z kolei wir- nik zanurzony jest w elektrolicie 6 - korzystnie w wodnym roztworze kwasu siarkowego H 2 SO 4 lub chlorku sodowego NaCl o st ezeniu ok. 30%, i ten elektrolit wype lnia szklane, cylindryczne naczynie 7, naPL 206 849 B1 4 którego dnie umieszczono p lask a ko low a elektrod e 8 z przymocowanym w srodku pr etem 3, wspiera- jacym wirnik. Podobn a elektrod e 9, dotykaj ac a elektrolitu zamkni eto naczynie od góry, z t a ró znic a, ze górna elektroda ma srodkowy otwór, przez który przechodzi wa lek 5 do wyprowadzenia nap edu oraz kilka mniejszych otworków 10 przez, które uchodz a gazy wytwarzane podczas przep lywu pr adu przez elektrolit. Ponadto do elektrod 8 i 9 przy lo zone jest sta le napi ecie za pomoc a przewodów 11 i 12, z których przewód 11 przylaczony do dolnej elektrody 8 przechodzi przez uszczelniony otwór w pobli zu dna naczynia 7. Zasada dzia lania silnika unipolarnego wed lug wynalazku polega na tym, ze przep lywaj acy w kierunku pionowym przez elektrolit 6 pr ad elektryczny wytwarza wewn atrz elektrolitu pole magne- tyczne, którego linie si l maj a kszta lt wspó losiowych okr egów a warto sc indukcji tego pola jest wprost proporcjonalna do odleg lo sci od osi naczynia 7, dlatego w takim polu dzia laj a si ly na bieguny magne- tyczne, przy czym si ly dzia laj ace na bieguny lezace dalej od osi s a wi eksze i si ly te daj a moment de- cyduj acy o kierunku obrotu wirnika, który mo ze by c zmieniany przez zmian e kierunku pr adu przep ly- waj acego przez elektrolit. PL