חוט שזז מעצמו
החזיקו חוט רופף בין הקטבים של מגנט חזק והעבירו דרכו זרם: החוט קופץ הצידה. הפכו את כיוון הזרם, והוא קופץ לצד השני. סובבו את המגנט, והוא קופץ שוב לצד השני. הדחיפה ניצבת גם לחוט וגם לשדה, והיא גדלה עם כל אחד מהם. בחוט ישר היא שווה לעוצמת השדה כפול הזרם כפול אורך החוט שבתוך השדה: F = BIL.
הקפיצה הזאת היא כל הסוד של המנוע החשמלי. כל השאר הוא הדרך להפוך דחיפה הצידה לסיבוב יציב.
שתי דחיפות יוצרות סיבוב
למנוע שבסצנה יש סליל מלבני של חוט נחושת על ציר, בין פני הקטבים המעוקלים של שני מגנטים. הזרם עובר לאורך צלע ארוכה אחת של הסליל, חוצה את הקצה וחוזר לאורך הצלע השנייה. שתי הצלעות הארוכות מונחות לרוחב השדה ונושאות זרם בכיוונים מנוגדים, ולכן הן נדחפות בכיוונים מנוגדים: אחת למעלה ואחת למטה. דחיפה למעלה בצד אחד של ציר ודחיפה למטה בצד השני הן פיתול, והסליל מסתובב.
הכוחות נשארים באותו גודל לאורך כל הסיבוב, אבל ההשפעה הסיבובית שלהם לא. כשהסליל שוכב במאוזן, הדחיפות פועלות במרחק המלא מהציר והפיתול חזק ביותר. כשהוא מסתובב למצב זקוף, הדחיפות מכוונות ישר דרך הציר והפיתול יורד לאפס. ההשפעה הסיבובית היא הכוח כפול המרחק שלו מהציר, ובחשבון היא יוצאת N·B·I·A·cos θ לסליל בעל N כריכות ושטח A, הנמצא בזווית θ לשדה.
הקומוטטור
הנה הבעיה. אחרי שהסליל עבר את המצב הזקוף, הצלע שנדחפה למעלה נמצאת עכשיו בצד השני של הציר. אילו הזרם בה היה ממשיך לזרום באותו כיוון, הדחיפה הייתה מסובבת את הסליל בחזרה, והוא היה מתנדנד עד שהיה נעצר.
הפתרון הוא הקומוטטור: טבעת נחושת על הציר, מפוצלת לשני חצאים, שכל אחד מהם מחובר לקצה אחד של הסליל. שתי מברשות פחם נלחצות אליה משני הצדדים ומכניסות את הזרם. בכל חצי סיבוב, בדיוק כשהסליל עובר את המצב הזקוף, המברשות מחליקות מעל הרווחים ומחליפות חצאים. הזרם בסליל מתהפך, כך שהצלע שנמצאת בצד ימין נושאת תמיד זרם באותו כיוון ונדחפת תמיד למעלה. הפיתול לעולם לא משנה כיוון.
נסו: בחרו פועל תחת הצגת הכוחות ועקבו אחרי הקומוטטור. בכל פעם שהמברשות חוצות את הרווח, חיצי הזרם בסליל מתהפכים, ואילו חיצי הכוח הירוקים ממשיכים לדחוף לאותו כיוון סיבוב.
כמה מהר הוא מסתובב?
הפיתול היה מאיץ את הסליל לנצח אילו שום דבר לא היה דוחף בחזרה. החיכוך במסבים ובמברשות, והאוויר שהסליל גורר סביבו, גוזלים מעט יותר מההשפעה הסיבובית ככל שהסליל מהיר יותר. הסליל מתייצב במהירות שבה הם גוזלים את כולה. הכפילו את זרם או את שדה מגנטי, והפיתול גדל פי שניים, כך שהסליל מתייצב על מהירות כפולה.
ויש כאן עוד דבר. סליל שמסתובב בשדה מגנטי הוא גנרטור: הוא יוצר מתח משלו, הכוח האלקטרומניע הנגדי (כא״מ נגדי), שדוחף נגד הספק. כדי לשמור על זרם קבוע, הספק צריך לדחוף חזק יותר מכפי שהיה דוחף בסליל שמוחזק במקום. הדחיפה הנוספת הזאת, כפול הזרם, היא בדיוק ההספק שהמנוע מעביר לחיכוך, או לכל דבר שהוא מניע. כך אנרגיה חשמלית הופכת לתנועה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מאטה את הסליל פי 40; הסליל האמיתי היה מסתובב בערך חמש־עשרה פעמים בשנייה בהגדרות ההתחלתיות. היא מתייחסת לשדה כזהה בכל מקום ברווח ולגרר כגדל ביחס ישר למהירות, אבל במסבים אמיתיים יש גם חיכוך קבוע שיכול לעצור מנוע חלש לגמרי במצב הזקוף, שבו הפיתול נעלם. מנועים אמיתיים משתמשים בסלילים רבים בזוויות שונות, בברזל בעוגן (החלק המסתובב) כדי לרכז את השדה, ובספק ששומר על מתח קבוע ולא על זרם קבוע, כך שהזרם שלהם יורד ככל שהם מאיצים. המברשות גם מעלות מעט ניצוצות כשהן חוצות את הרווחים, ולכן מנועים מודרניים רבים מחליפים את כיווני הזרמים שלהם באופן אלקטרוני במקום זאת.