Bạn có thể làm một động cơ điện quay tít trong vài phút chỉ với một cục pin tiểu, một viên nam châm dẹt và một đoạn dây đồng trần. Đặt nam châm dưới cực âm của pin, uốn dây đồng sao cho một đầu chạm cực dương, đầu kia chạm hờ vào mép nam châm. Dòng điện chạy trong dây đồng nằm trong từ trường của nam châm, nên dây bị một lực đẩy ngang, và lực ấy làm nó quay vòng quanh cục pin.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Đây là chiếc động cơ đơn giản nhất mà con người biết, gọi là động cơ đồng cực, và nó đẹp ở chỗ bạn nhìn thấy toàn bộ nguyên lý bằng mắt. Tập này mình làm cùng bạn, giải thích vì sao nó quay, và dặn kỹ vài điều an toàn mà video trên mạng hay bỏ qua.
Chuẩn bị và lắp ráp
Bạn cần một cục pin tiểu kiềm thông thường, loại một rưỡi vôn dùng cho điều khiển ti vi. Một viên nam châm đất hiếm hình đĩa dẹt, đường kính hơi lớn hơn đáy pin một chút. Một đoạn dây đồng trần không có lớp sơn cách điện, dài khoảng hai gang tay, và một chiếc kìm nhỏ.
Đặt nam châm nằm trên mặt bàn, dựng cục pin lên trên với cực âm, tức đầu phẳng, áp xuống nam châm. Nam châm hút vỏ pin nên chúng dính vào nhau.
Uốn dây đồng thành hình chữ nhật hay hình trái tim cân đối, sao cho ở đỉnh có một điểm lõm nhỏ để đặt lên núm cực dương của pin, còn hai đầu dưới vòng xuống chạm nhẹ vào mép nam châm ở hai bên. Dây cần cân bằng để quay trơn.
Đặt dây lên. Nếu tiếp xúc tốt, dây sẽ bắt đầu quay ngay. Nếu không quay, chỉnh cho điểm tựa ở đỉnh nằm đúng giữa và hai đầu dưới chạm nhẹ vào nam châm, không quá chặt.
Vì sao dây đồng quay?
Khi dây đồng chạm cả cực dương lẫn nam châm, mạch được khép kín: dòng điện chạy từ cực dương xuống dây đồng, qua nam châm có lớp mạ kim loại dẫn điện, về cực âm của pin.
Viên nam châm tạo ra từ trường xung quanh, các đường sức đi lên từ mặt nam châm và toả ra hai bên. Đoạn dây đồng ở gần nam châm có dòng điện chạy qua, nằm ngay trong từ trường đó.
Một dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu một lực vuông góc với cả hướng dòng điện lẫn hướng từ trường. Ở đây, dòng điện chạy dọc dây, từ trường hướng lên và toả ra, nên lực đẩy theo hướng ngang, vòng quanh trục của pin. Dây bị đẩy liên tục theo một chiều và quay tròn.
Học sinh trung học được học một mẹo để nhớ hướng của lực này, gọi là quy tắc bàn tay trái. Lật nam châm ngược lại, dây sẽ quay theo chiều ngược lại. Đó là một cách hay để tự kiểm chứng.
Từ chiếc động cơ đồ chơi tới quạt điện và xe máy điện
Động cơ đồng cực đơn giản nhưng không hiệu quả để làm việc thật. Các động cơ trong quạt điện, máy giặt, xe máy điện dùng cùng một nguyên lý, lực từ tác dụng lên dòng điện, nhưng được thiết kế tinh vi hơn nhiều.
Trong động cơ thực, có nhiều cuộn dây quấn quanh lõi sắt, đặt trong từ trường mạnh. Dòng điện được đổi chiều đúng lúc qua từng cuộn dây, để lực luôn đẩy rô to quay theo một chiều, mạnh và đều.
Michael Faraday là người đầu tiên chứng minh lực từ có thể tạo ra chuyển động quay liên tục, vào đầu những năm hai mươi của thế kỷ mười chín, bằng một thí nghiệm với dây dẫn treo quay quanh nam châm trong chén thuỷ ngân. Mình sẽ kể kỹ câu chuyện của Faraday ở tập sau.
Đảo ngược lại, nếu dùng sức quay một động cơ, nó trở thành máy phát điện. Động cơ và máy phát là hai mặt của cùng một hiện tượng.
An toàn: pin nóng và nam châm mạnh
Động cơ đồng cực thực chất làm chập mạch cục pin qua đoạn dây đồng có điện trở rất nhỏ. Dòng điện lớn chạy qua nên pin và dây nóng lên khá nhanh. Chỉ cho chạy từng lúc ngắn, nếu thấy pin ấm thì tháo dây ra và để nguội.
Tuyệt đối chỉ dùng pin tiểu kiềm hay pin than thông thường. Không dùng pin sạc lithium, pin điện thoại, pin xe điện hay cục sạc dự phòng: chập mạch các loại pin này có thể gây nóng mạnh, phồng, cháy nổ. Không bao giờ làm với ổ điện trong nhà.
Nam châm đất hiếm rất mạnh. Hai viên có thể hút vào nhau đột ngột, kẹp đau ngón tay, vỡ mẻ bắn mảnh. Như mình đã dặn ở tập về nam châm, trẻ nhỏ nuốt từ hai viên nam châm trở lên là tình huống cấp cứu, cất chúng ngoài tầm tay trẻ.
Dây đồng uốn có đầu sắc, cẩn thận đâm vào tay. Trẻ em làm thí nghiệm này cần có người lớn bên cạnh.
Biến thành một thí nghiệm nhỏ của riêng bạn
Thử những hình dạng dây khác nhau: hình xoắn ốc, hình chữ nhật, hình trái tim. Hình nào quay nhanh nhất, ổn định nhất? Vì sao dây cân đối thì quay đều hơn?
Thử chồng hai viên nam châm, xem dây quay nhanh hơn không. Thử đổi hướng nam châm và quan sát chiều quay. Ghi lại kết quả vào sổ.
Mỗi câu hỏi nhỏ như thế là một vòng của phương pháp khoa học: đoán trước, làm thử, quan sát, giải thích. Một chiếc động cơ đồ chơi hoá ra là một phòng thí nghiệm thu nhỏ.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: chiếc điện thoại trong túi bạn có cả một bộ cảm biến từ trường, cảm biến gia tốc, cảm biến ánh sáng. Có thể biến nó thành một phòng thí nghiệm vật lý thật sự không?
Câu hỏi thường gặp
Vì sao gọi là động cơ đồng cực?
Tên gọi xuất phát từ việc dòng điện trong động cơ này không cần đổi chiều trong lúc quay, khác với hầu hết động cơ điện thông thường. Cấu tạo của nó cũng đơn giản tới mức chỉ có một nam châm và một mạch điện.
Không có nam châm đất hiếm thì dùng nam châm thường được không?
Nam châm tủ lạnh hay nam châm sắt thường quá yếu, dây khó quay. Nam châm đất hiếm dạng đĩa nhỏ cho từ trường đủ mạnh và có lớp mạ dẫn điện nên thí nghiệm dễ thành công hơn.
Vì sao dây đồng phải là dây trần?
Dây đồng điện thường được phủ một lớp sơn cách điện mỏng, nếu không cạo sạch ở chỗ tiếp xúc thì dòng điện không chạy qua được và dây không quay.
Pin bị nóng có nguy hiểm không?
Pin tiểu kiềm nóng lên khi bị chập mạch lâu, có thể chảy nước pin gây bỏng da. Chỉ chạy thí nghiệm trong thời gian ngắn và dừng ngay khi pin ấm.
Quy tắc bàn tay trái dùng để làm gì?
Quy tắc bàn tay trái giúp xác định hướng của lực từ tác dụng lên dòng điện khi biết hướng dòng điện và hướng từ trường. Đây là kiến thức trong chương trình vật lý trung học.
