Модель "Преобразователя энергии" была изготовлена из подручных материалов и предназначена для изучения курса физики "Электродинамики" 9 класс.
Модель иллюстрирует закон электромагнитной индукции.
Электрические и магнитные моля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами. Поэтому можно было предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 году в опытах выдающегося английского ученого М. Фарадея, в которых он открыл явление электромагнитной индукции.
Майкл Фарадей - английский физик-экспериментатор и химик. Основной идейный его вклад в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом. Помимо закона о электромагнитной индукции он открыл — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др. А придумал эти слова помог лингвист Уильям Уэвелл, который помогал ученому в его работе. Всего за свою жизнь Фарадей провел около 30000 экспериментов.
Рис. 1 Майкл Фарадей
Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит: Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус.
Некоторые физики отмечают, что закон Фарадея в одном уравнении описывает два разных явления: двигательную ЭДС, генерируемую действием магнитной силы на движущийся провод, и трансформаторную ЭДС, генерируемую действием электрической силы вследствие изменения магнитного поля. Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на этот факт в своей работе «О физических силовых линиях» в 1861 году.
Закон индукции Фарадея утверждает, что когда поток изменяется, то при перемещении единичного положительного пробного заряда по замкнутой кривой совершается работа величина которой определяется по формуле:
E=-(dФ/dt),
где E — величина электродвижущей силы (ЭДС) в вольтах, а ΦB — магнитный поток в веберах. Направление электродвижущей силы определяется законом Ленца.
Правило Ленца –индукционный ток имеет всегда такое направление, что его магнитное поле препятствует любым изменениям магнитного потока, вызывавшим появление индукционного тока. Этот закон был установлен в 1833 году Э. Х. Ленцем.+
Эмилий Христианович Ленц — выдающийся русский физик немецкого происхождения. Выходец из балтийских немцев. Э. Х. Ленц является одним из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.
1. Подробное описание принципа работы модели.
Модель представляет собой демонстрационный стенд, на котором закреплен
Рис. 2. Внешний вид модели.
- редуктор с ручкой, который при вращении рукоятки на один оборот создает вращение в 25 оборотов вала;
- генератор или динамо - машина, которая при вращении вала вырабатывает ЭДС на выходных контактах;
- вольтметр, который показывает напряжение, выработанное генератором;
- Амперметр, который показывает силу тока нагрузки;
- электродвигатель постоянного тока, который является на стенде нагрузкой;
- Вентилятор на валу электродвигателя.
Рис.3. Схема электрическая принципиальная.
Принцип работы модели.
При вращении рукоятки по часовой стрелке начинает крутиться редуктор, который увеличивает обороты вала в 25 раз и вращает вал генератора с большей частотой. Вал генератора вращаясь, вырабатывает электродвижущую силу . На красном проводе появляется положительное напряжение, а на черном проводе отрицательное напряжение. Амплитуда напряжения зависит от частоты вращения вала генератора и соответственно от частоты вращения рукоятки.
Esi=-L(dI/dt)
При вращении рукоятки в противоположном направлении, электрический ток потечет в обратном направлении. То есть на красном проводе появляется отрицательное напряжение, а на черном проводе положительное напряжение. Полярность напряжения можно определить вольтметром, а направление движения тока можно определить амперметром.
Рис. 4. Вид сзади.
Сила тока зависит от нагрузки, подключенной к генератору.
I=U/R, где U=E
При увеличении силы тока и вращении с той же частотой, то есть вырабатывая то же напряжение, необходимо увеличить силу вращения рукоятки. Таким образом, при увеличении электрической нагрузки на контактах генератора будет увеличиваться и нагрузка механическая на руку экспериментатора. Амплитуда вырабатываемого напряжения контролируется прибором-вольтметром. Затем электрический ток поступает через прибор – амперметр, в нагрузку – электромотор. Электродвигатель, при поступлении на него электрического тока начинает совершать механическую работу, то есть начинает вращаться.
Рис. 5. Вид спереди.
Рис. 6. Вид сверху.
Если снять показания с вольтметра и амперметра, то можно получить следующие значения: мощность нагрузки и сопротивление нагрузки.
Мощность, потребляемую электродвигателем: P=I*U
Например, при максимальной скорости вращения ручки, приборы могут показать максимальное значение напряжения – 8 В, а ток – 0,06 А. При таких показаниях приборов мощность будет равна . При уменьшении частоты вращения ручки будут уменьшаться показания приборов, и соответственно будет уменьшаться мощность.
Сопротивление нагрузки: R=U/I
Например, при максимальной скорости вращения ручки, приборы могут показать максимальное значение напряжения – 8 В, а ток – 0,06 А. При таких показаниях приборов сопротивление будет равно . При уменьшении частоты вращения ручки будут уменьшаться показания приборов, а сопротивление будет оставаться постоянным.
Поскольку вал гладкий, его вращения не видно. Для того, чтобы увидеть его вращение на него нужно что-то надеть, например, вентилятор, который я и использовала в этой модели. При увеличении усилия механической нагрузки на вал электродвигателя увеличивается и сила электрического тока через электродвигатель. Ток, протекающий через электродвигатель будет рассчитываться по следующей формуле:
I=E/Rд, где
I – сила тока нагрузки;
E – ЭДС генератора;
Rд – сопротивление электродвигателя.
Генератором может являться двигатель постоянного тока, что и представлено на модели. И на оборот - двигателем постоянного тока может являться генератор. Данный факт демонстрирует обратимость механической силы в электрическую и из электрической обратно в механическую. При преобразовании энергии из механической в электрическую и обратно в механическую сила уменьшится на коэффициент КПД. Часть энергии преобразуется, а часть теряется, выделившись в виде тепла на генераторе и на электродвигателе.
2. Есть ли аналоги.
В интернете и в научной литературе есть несколько аналогов моей модели.
1. Конструктор динамо - машина «Dynamo Torch»
http://www.real-world-physics-problems.com/dynamo-torch.html.
Он представляет собой конструктор для детей старше 8 лет.
В конструкторе имеется редуктор с ручкой, моторчик, лампочка и внешний корпус.
Конструктор предназначен для обучения детей электродинамике
От моей модели он отличается тем, что потребителем электрической энергии у него является лампочка, а у меня - электродвигатель.
2. Динамо - машины для зарядки мобильных телефонов через разъём USB.
http://mysku.ru/blog/buyincoins/3554.html
Она представляет собой динамо машину в корпусе с выходом для USB.
Предназначена для зарядки мобильных устройств, в случае отсутствия по близости электропитания.
От моей модели он отличается тем, что потребителем электрической энергии у него является заряжаемое устройство, а у меня - моторчик.
3. Самодельный динамо - фонарик.
http://mozgochiny.ru/electronics-2/samodelnyiy-dinamo-fonar/
Он представляет собой динамо машину и фонарик, собранные в общем корпусе.
Предназначен для освещения темных мест без использования батарейки или зарядки.
От моей модели отличается тем что, потребителем электрической энергии у него является лампочка, а у меня - электродвигатель с вентилятором.
3. Как пользоваться моделью.
Для начала работы с моделью нужно взять правой рукой ручку редуктора-генератора и начать вращать ее по часовой стрелке. На красном проводе появляется положительное напряжение, а на черном проводе отрицательное напряжение. При вращении рукоятки в противоположном направлении электрический ток потечет в обратном направлении. То есть, на красном проводе появляется отрицательное напряжение, а на черном проводе положительное напряжение. Полярность напряжения можно определить вольтметром, а направление движения тока можно определить амперметром. Чем больше прикладываемое усилие к рукоятке, тем больше сила тока на электродвигателе.
Приборами амперметром и вольтметром можно определить силу тока и напряжение соответственно и рассчитать два дополнительных параметра: мощность и сопротивление. Вращая рукоятку с разной скоростью, с разной силой и в разном направлении, можно наблюдать разные показания приборов.
От электрического тока начинает вращаться электромотор, а на валу электромотора будут вращаться лопасти вентилятора. При уменьшении скорости вращения ручки вентилятор будет уменьшать скорость вращения и показания приборов тоже будут уменьшаться. Если остановить вращение ручки, то вентилятор тоже остановится, а также показания приборов станут нулевыми.
Заключение.
Электричество постоянно присутствует в нашей повседневной жизни. Мы не представляем свою жизнь без таких предметов, как стиральная машинка, электрический чайник, холодильник, работа которых основана на законах электродинамики. Также свет, который горит у нас в квартирах целыми вечерами, и без которого мы бы не смогли обойтись, основан на этих законах.
По сей день люди придумывают все новые и новые изобретения в этой сфере, которое еще больше облегчат нашу жизнь. Многие современные ученые трудятся над выявлением новых законов в области электродинамики. Это направление в физике только развивается, поэтому ставить эксперименты на эту тему и делать модели намного увлекательней чем на некоторые другие, например, на законы статики или динамики, где все уже давно открыто, и ничего нового мы не сможем увидеть, поставив опыт на них. Сделав же модель на тему электричество, можно в конечном итоге получить интересное изобретение, которого еще никто не придумал.
В электродинамике существует большое количество законов, из которых я знаю лишь небольшую часть. Но с каждым из тех, которых я знаю, можно провести наглядный опыт и на их основе сделать интересную модель. Поэтому вначале мне было не легко выбрать определенный из законов. Какие - то из них можно показать наглядно, а на основе других можно получить более интересную и сложную модель.
Взяв за основу закон электромагнитной индукции, получилась совсем несложная модель, которая будет подробно и понятно описывать его.
Борисова Елена.
Борисов Алексей
