Elmotorn

En elmotor omvandlar elektrisk energi till rörelseenergi. Grundprincipen är att en strömförande ledare i ett magnetfält påverkas av en kraft. Håller du en rak tråd mellan två magnetpoler och skickar ström genom den, rycker tråden åt sidan även om ingen rör den – det är den kraften som driver varenda elmotor.

I en elmotor är ledaren böjd till en spole som kan rotera fritt mellan två magnetpoler. När strömmen flyter genom spolen upplever den ena långsidan en kraft åt ett håll och den motsatta långsidan en kraft åt motsatt håll, eftersom strömmen går åt olika håll på de två sidorna. De motriktade krafterna bildar ett vridmoment runt spolens axel, och spolen börjar snurra.

Problemet är att vridmomentet skulle bromsa rotationen efter ett halvt varv, eftersom sidorna då har bytt plats i fältet utan att strömriktningen har ändrats. Lösningen är en kommutator: en delad ring på axeln där två kolborstar glider mot varsin halva. Varje halvt varv byter kommutatorn vilken halva som är kopplad till vilken batteripol, så strömmen genom spolen vänder exakt när den behöver det, och spolen fortsätter att snurra åt samma håll.

Kraften på en rak ledare som är vinkelrät mot fältet ges av F = B · I · l, där B är magnetfältets flödestäthet i tesla, I är strömmen i ampere och l är ledarens längd i meter inom fältet. Kraften är vinkelrät mot både strömmen och fältet; du hittar riktningen genom att med högerhanden låta fingrarna peka i strömriktningen och kröka dem mot fältets riktning, så visar tummen kraftens riktning. Samma princip driver elmotorn i en elbil, bladen i en fläkt och chucken i en borrmaskin, även om många av dem saknar kolborstar och kommutator och i stället styrs av elektronik eller drivs med växelström.

Formel

F = B · I · l

Kraften F (newton) på en rak ledare som är vinkelrät mot magnetfältet. B är magnetfältets flödestäthet i tesla, I är strömmen i ampere och l är ledarens längd i meter inom fältet. Är ledaren parallell med fältet blir kraften noll.

Det här lär du dig

Förklara varför en strömförande ledare i ett magnetfält påverkas av en kraft
Beskriva hur krafterna på spolens två sidor skapar ett vridmoment
Förklara varför en elmotor behöver en kommutator för att fortsätta rotera
Räkna ut kraften på en ledare med formeln F = B · I · l
Ge exempel på elmotorer i vardagsteknik

Begrepp att kunna

kraft på strömförande ledare: Den kraft en ledare utsätts för när ström flyter genom den i ett magnetfält. Kraften är vinkelrät mot både strömmen och fältet.
vridmoment: Den vridande effekten av krafter som verkar på motsatta sidor av en spole runt dess axel, och som gör att spolen roterar.
kommutator: En delad ring på motorns axel som vänder strömriktningen genom spolen varje halvt varv, så att rotationen fortsätter åt samma håll.
kolborste: En liten kontakt som glider mot kommutatorn och leder strömmen från den fasta kretsen in i den roterande spolen.
rotor: Den roterande delen av motorn, i en enkel elmotor den spole som sitter på axeln tillsammans med kommutatorn.

Vanliga svårigheter

Tror att motorn fortsätter rotera av sig själv utan kommutator

Utan kommutator skulle strömriktningen genom spolen aldrig ändras. Spolen skulle vridas fram till sitt jämviktsläge och sedan svänga fram och tillbaka som en pendel, i stället för att rotera åt samma håll hela tiden. Det är kommutatorns uppgift att hindra det genom att vända strömmen i rätt ögonblick.

Glömmer att kraftens riktning beror på både ström och fält

Kraften på ledaren är inte bestämd av strömriktningen eller fältriktningen för sig, utan av hur de två förhåller sig till varandra. Byt antingen strömriktningen eller fältets riktning, och kraften vänder. Byt båda samtidigt, och kraften pekar åt samma håll som innan.

Tror att vridmomentet är lika starkt under hela varvet

Vridmomentet är störst när spolens plan ligger parallellt med fältet, och sjunker mot noll när spolen har roterat ett kvarts varv och dess plan står vinkelrätt mot fältet. Det är just i det läget som kommutatorn vänder strömmen, och spolen tar sig förbi det tack vare sin fart.

I verkligheten

En elmotor i en elbil driver hjulen via en enkel, fast utväxling, utan växlar att byta och utan förbränning

Elektronik styr strömmen från batteriet genom motorns spolar, och krafterna mellan de strömförande ledarna och magnetfältet ger det vridmoment som vrider hjulaxeln. Ju mer ström föraren begär med gaspedalen, desto större blir kraften och accelerationen.

En bordsfläkt snurrar sina blad och ger svalka en varm dag

I motorn ligger strömförande ledare i ett magnetfält, och krafterna på dem ger ett vridmoment som roterar axeln med bladen, enligt samma princip som i en stor elmotor. Fläkten gör inte luften kallare, men luftströmmen förbi huden gör att du känner dig svalare.

Tips

Bygg världens enklaste motor: linda en spole av lackad koppartråd och skrapa bort lacken på bara ena sidan av båda trådändarna, åt samma håll. Lägg trådändarna i två böjda gem kopplade till ett batteri, med en stark magnet under spolen. Den halvskrapade tråden ersätter kommutatorn genom att bryta strömmen under det halva varv då kraften annars skulle bromsa, och spolen rullar vidare på sin fart.
Håll isär de två högerhandsreglerna du möter i det här avsnittet: en för fältet runt en ledare, en för kraften på en ledare i ett fält. Gör båda rörelserna med handen varje gång tills du inte blandar ihop dem av misstag.
Rita spolens läge vid fyra vinklar under ett varv och markera kraftens riktning på var sida vid varje vinkel. Du ser själv var vridmomentet är som störst och exakt var kommutatorn måste hinna växla strömmen.

Testa dig själv

1. En ledare som är 0,20 m lång ligger vinkelrätt mot ett magnetfält på 0,50 T, och strömmen genom den är 2,0 A. Hur stor är kraften på ledaren?

F = B · I · l = 0,50 · 2,0 · 0,20 = 0,20 N. Det är den här kraften som, när den verkar på spolens båda sidor i motsatt riktning, skapar vridmomentet som får motorn att snurra.

2. Vad skulle hända om en elmotor byggdes utan kommutator?

Spolen skulle rotera fram mot sitt jämviktsläge, där dess plan står vinkelrätt mot fältet, men eftersom strömriktningen inte vänder där skulle den fortsätta förbi och mötas av ett motriktat vridmoment. Resultatet blir att spolen vickar fram och tillbaka kring jämviktsläget i stället för att rotera åt samma håll, tills den till slut stannar i jämviktsläget.

3. Vad händer med vridmomentet i en elmotor om strömmen genom spolen dubbleras och allt annat är oförändrat?

Vridmomentet dubbleras. Kraften på ledaren F = B · I · l är proportionell mot strömmen I, så dubbel ström ger dubbel kraft på spolens sidor och därmed dubbelt vridmoment, så länge magnetfältet är detsamma.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Sambandet mellan elektricitet och magnetism samt mellan ström och spänning i elektriska kretsar. Hur kretsarna kan användas i elektrisk utrustning.
Fysik nivå 2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Elektriska och magnetiska fält samt samband mellan dessa. Induktion samt tillämpningar av växelström i generatorer och transformatorer.
Fysik nivå 2 · Krafter och rörelse
Elektriska laddningars rörelse i magnetiska och elektriska fält.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Elektromagneter

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: