Dynamo's

Datum: September-Oktober 2009

Inleiding:

Al weer enige tijd geleden kwam ik op de site van Pico een op zich interessant experiment tegen waarbij men gebruik maakte van een fietsdynamo. Het enige werk dat  men moest verrichten was het bouwen van een opstelling met die dynamo. Iets recenter geleden kwam ik echter bij Nemo een bouwpakket voor een dynamo tegen dat ook uitermate geschikt leek om dit experiment uit te voeren. Dat heb ik vervolgens gedaan. 

Principe:

De spanning geproduceerd door een dynamo wordt bepaald door de omwentelingen..

Materiaal:

  • Vernier Go!Link Interface
  • Vernier Voltmeter
  • Netbook - Asus EEEPc
  • Spreadsheet voor data analyse
  • Dynamo Torch bouwpakket
  • Fietsdynamo (Hema)
  • Plankje
  • Stevig garen (ijzergaren)
  • Gewicht (hier: 200 g)
     

Experimentele opstelling:

Dynamo Torch Meting

  • Bouw de dynamo op zoals aangegeven in de handleiding van het bouwpakket.
  • Zet de klemmen op de draden die naar de LED gaan zoals aangegeven op nevenstaande foto.
  • Start de EEEPc op en vervolgens het GO!Link programma.
  • Stel de meting in op 300 metingen per seconde gedurende 5 seconden.
  • Start de meting op en draai aan de hendel van de dynamo totdat de meting voorbij is.
  • Exporteer de data als text file.
  • Importeer deze in een spreadsheet.
  • Analyseer de data.

Fiets dynamo opstelling

  • Monteer de fietsdynamo op de plank.
  • Verbindt de klemmen van de Voltmeter met de dynamo.
  • Start de EEEPc op en vervolgens het GO!Link programma.
  • Stel de meting in op 300 metingen per seconde gedurende 5 seconden.
  • Plaats de plank aan de rand van de tafel zodat de dynamo er juist bovenuit steerkt.
  • Neem een flink stuk koord en bevestig het gewicht aan een kant daar van.
  • Rol de andere kant op op over de rotor van de dynamo.
  • Zodra het gewicht bij de rotor van de dynamo is kan de meting gestart worden.
  • Laat dan onmiddellijk het gewicht los.
  • Exporteer de data als text file.
  • Importeer deze in een spreadsheet.
  • Analyseer de data.

   

Resultaten:

Het resultaat van een meting met de "Dynamo Torch" is te zien in onderstaande screenshot.
Nevenstaande figuur is op basis van de geŽxporteerde data in Excel gemaakt. Er is al enigszins ingezoomd.

Op onderstaande figuur is nog verder ingezoomd in de grafiek.

Een van de observaties die we konden maken op het moment dat het experiment uitgevoerd werd was dat de lamp harder ging branden als er sneller gedraaid werd.

 
In onderstaande figuur is een van de metingen met de fietsdynamo weergegeven als excel grafiek.
Wederom hebben we op een klein deel van de grafiek ingezoomd.
 

Discussie:

In het motortje zitten een spoel en een magneet. De spoel hebben we d.m.v. de tandwielen aangesloten op het handvat. Door nu aan het handvat te draaien draait de spoel rond binnen de magneet en wordt er een elektrische stroom opgewekt (Zie achtergrondinformatie). 

Dit is de theorie. Wat ik daarom verwacht als signaal als ik aan de hendel draai is een signaal dat min of meer op een sinussignaal lijkt, zoals weergegeven in onderstaande figuur. Meer specifiek, negatieve pieken en positieve pieken.

Dat is echter niet het geval. Zodra we aan de hendel gaan draaien zien we een basisspanning van ca. 1.5 V met op deze basis een kleine sinusvormig signaal. Hierbovenop zijn dan nog grotere pieken waarneembaar.

Dit zette me aan het denken, aangezien ik dit niet verwacht had. Mijn verwachting was dat ik een soortgelijk signaal te zien zou krijgen als voor een fietsdynamo, een wisselspanning die om de 0 V varieert en dus zowel een positieve als een negatieve spanning laat zien zoals weergegeven is in onderstaande figuur.

Bekijken we nog eens goed de opbouw van een fietsdynamo zoals weergegeven in onderstaande en  nevenstaande figuur dan was die veronderstelling niet zo gek. Het verschil tussen beide is dat bij de fietsdynamo de magneet draait terwijl in de motor de spoel draait.
Dit was voor mij een reden om het experiment met de fietsdynamo uit te voeren, terwijl ik dit van tevoren eigenlijk niet van plan was. Zoals we aan het gemeten signaal kunnen zien is dat inderdaad het signaal zoals we het verwachten met zowel positieve als negatieve voltages. Vervolgens vroeg ik me af of ik de meting met de "Dynamo Torch" fout had uit gevoerd door bv het signaal niet op 0 te zetten alvorens het experiment werd uitgevoerd. Ik heb het experiment herhaald maar zoals we hierboven zijn is er inderdaad een potentiaal van 0 V zolang we niet aan de hendel draaien. Voor de zekerheid heb ik het ook nog met een oscilloscoop gecontroleerd maar ook daar vindt ik een soortgelijk signaal als we hier waarnemen.
De vraag is dan waarom ik voor een soortgelijke opstelling twee signalen genereer waartussen een duidelijk verschil zit. Kijken we dan nog eens goed naar de opstellingen dan zien we echter een duidelijk verschil. In het circuit van de "Dynamo Torch" zit een LED opgenomen terwijl in onze fietsdynamo opstelling geen enkele belasting is opgenomen. Daarom heb ik het experiment met de fietsdynamo herhaald met een weerstand van 1KOhm en ook met een weerstand van 10 KOhm opgenomen in het circuit. Uiteindelijk maakte dat niets uit en nemen we hetzelfde patroon waar als hierboven is weergeven.
Uiteindelijk kan ik maar een conclusie trekken en dat is dat de DC motor iets gecompliceerder in elkaar zit dan een fietsdynamo en zoals bovenstaande schema suggereert. Bekijken we onderstaande tekening dan lijkt dat inderdaad het geval te zijn. Vooral de spoel zit wat geavanceerder in elkaar dan bij een fietsdynamo.

Image

Een meer gedetailleerde studie op het web bevestigd inderdaad dat door meerdere spoelen te laten draaien in een magnetisch veld in combinatie met sleepcontacten men een positief fluctuerend voltage kan creŽren  (Electric motors and generators) hetgeen is wat we hebben waargenomen.

Literatuur:

  • R.J. Flink; 'Elektriciteitsleer'; Nijgh & Van Ditmar; 1ste druk; 1992; ISBN 9023606736; p. 124-189.

Relevante websites:

Opmerkingen:

  • De Go!Link is uitermate geschikt voor dit experiment. Het kan natuurlijk echter ook met een oscilloscoop, een Voltmeter met RS232 uitgang, Coach, etc.
  • De data is opgeslagen in een  excel file: resultaten.xls
  • In principe is het mogelijk om met de gebruikte dynamo opstelling het rendement van de dynamo te bepalen.

Achtergrondinformatie:

Inductiespanning

De inductiespanning Vind  is de spanning die over de uiteinden van een spoel ontstaat als de magnetische flux door die spoel verandert.

In de tekeningen hiernaast zie je dat er links weinig veldlijnen door de spoel gaan, in de rechter tekening zijn dat er al meer. Dat betekent dat als de magneet naar de spoel toe beweegt, de flux door die spoel toeneemt en er een inductiespanning zal ontstaan.

De grootte van de inductiespanning berekent men met de formule:

.

Hierin is N het aantal windingen van de spoel, DF de verandering van de flux en Dt de tijdsduur waarin die fluxverandering plaatsvond.

Uit die formule blijkt dat je een grote inductiespanning krijgt als door een spoel met veel windingen er in een korte tijd een grote fluxverandering is.

 

Inductiespanning bepalen met een flux,tijd grafiek.

Als een grafiek gegeven wordt, waarin de flux door een spoel uitgezet is tegen de tijd, dan kun je de inductiespanning vinden met de helling of steilheid van de lijn. Die steilheid is gelijk aan:

Is die lijn een kromme, zoals in de tekening hiernaast, dan teken je eerst een raaklijn aan die grafiek in het punt waar je de inductiespanning wilt weten. Vervolgens bepaal je de steilheid van die raaklijn. Het product van het aantal windingen en de steilheid is dan de inductiespanning. In de tekening hernaast zie je dat fluxverandering en dus de inductiespanning het grootst is op de tijdstippen 1 en 3. Op de tijdstippen 0, 2 en 4 zie je dat de raaklijnen horizontaal lopen, de inductiespanning is daar nul!

Inductiestroom

Als op een spoel waarin een inductiespanning wordt opgewekt een elektrisch onderdeel, zoals een lampje of weerstand wordt aangesloten, dan gaat in die spoel een inductiestroom lopen.

De richting van de inductiestroom

De inductiestroom heeft een zodanige richting, dat hij een eigen magnetisch veld opwekt dat de verandering van de uitwendige flux tegenwerkt.

  1. De magneet nadert de spoel, de uitwendige flux neemt toe.

In de tekening hiernaast nadert de noordpool de spoel. Het aantal naar linksboven gerichte veldlijnen door de spoel neemt dus toe. De spoel zal deze verandering tegenwerken door een stroom te laten lopen die de toename van uitwendige veldlijnen die naar linksboven tegenwerkt. Hij maakt dus een veld dat naar rechtsonder is gericht. Met de rechterhandregel vind je dan dat de inductiestroom in de winding van A naar B loopt. De negatief geladen elektronen bewegen altijd tegen de stroomrichting in, dus bij A ontstaat een ophoping van negatieve lading, A wordt dus de minpool van deze spanningsbron. B wordt dus de pluspool en heeft dan ook de hoogste potentiaal.

NB. De spoel is hier een spanningsbron, in een spanningsbron loopt de stroom altijd van de min naar de plus, buiten de spanningsbron loopt de stroom altijd van de plus naar de min!

  1. De magneet verwijdert zich van de spoel, de uitwendige flux neemt af.

Als de magneet nu weer teruggetrokken wordt, dan neemt de uitwendige naar linksboven gerichte flux af, de spoel werkt deze verandering nu tegen door zelf veldlijnen naar linksboven te maken. Dan zal de inductiestroom in de spoel tegengesteld zijn aan de situatie waarin de magneet de spoel naderde. De plus- en minpool wisselen dan om. 

 
 
 

25/10/2009