XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование магнитных явлений. Фонарь Фарадея
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, — гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный (Приложение А, рис.1). «Чудесное» свойство магнитов притягивать к себе железные предметы или прилипать к железным поверхностям всегда вызывала удивление у людей. Магниты являются неотъемлемой частью различных двигателей и устройств, используются в производстве, различных фиксаторах, креплениях, замках и отвертках (Приложение А, рис.2).
На летних каникулах я заинтересовался различными «научными» фокусами. На день рождения мне подарили набор для экспериментов с магнитами и электромагнитами. Так началось мое увлечение магнетизмом.
Цель исследования: исследование свойств магнита и возможности использования его в быту, построение индукционного фонарика и объяснение его работы с точки зрения физических явлений и законов.
Задачи исследования:
Построить индукционный фонарь или фонарь Фарадея;
Провести в домашних условиях эксперименты с использованием магнита;
Пополнить знания по физике, изучив дополнительную литературу и Интернет ресурсы, по наблюдаемым явлениям;
Объяснить наблюдаемые явления, опираясь на физические законы.
Гипотеза исследования:действие индукционного фонарика можно объяснить, опираясь на физические законы, свойства магнита и явлениямагнетизма.
Объект исследования: магнитные явления.
Предмет исследования: работа индукционного фонаря с точки зрения законов физики.
Методы исследования: наблюдение, сравнение, эксперимент.
Актуальность работы заключается в умении использовать физические явления и законы в повседневной жизни, применять полученный опыт и знания на практике.
Глава 1. Электромагнитная индукция
1.1 Из истории магнита
Известно, что первыми слово «магнит» стали использовать греки примерно в 600г. до н.э. Так они называли загадочный камень, который притягивал железо и подобные ему материалы. Существуют две легенды о происхождении этого слова. Согласно первой, пастух по имени Магнус обратил внимание на тот факт, что специальный железный наконечник его палки постоянно притягивается к особому камню черного цвета (Приложение Б, рис. 1) . Этот камень и стали называть камнем Магнуса или просто магнитом [4].
Вторая легенда гласит, что камень получил свое название благодаря местности, в которой был обнаружен, - древнему городу Магнесия в Малой Азии, где в глубокой древности было найдено месторождение магнетита или магнитного железняка – минерала, который в состоянии притягивать железо. Кусочки магнетита называют естественными магнитами.
1.2 Магнитные полюсы
Итак, давайте разберемся, какие магнитные явления наглядно демонстрирует нам фонарик Фарадея.
Магнит – это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле. Каждый магнит имеет, по крайней мере, один "северный" (N) и один "южный" (S) полюс [4]. Ученые условились, что линии магнитного поля выходят из "северного" конца магнита и входят в "южный" конец магнита. Это пример магнитного диполя ("ди" означает два, диполь – два полюса) (Приложение Б, рис. 2).
Если взять кусок магнита и разломить его на два кусочка, каждый кусочек опять будет иметь "северный" и "южный" полюс. Если вновь разломить получившийся кусочек на две части, каждая часть опять будет иметь "северный" и "южный" полюс. Неважно, как малы будут образовавшиеся кусочки магнитов – каждый кусочек всегда будет иметь "северный" и "южный" полюс [1].
Опыт№1. Магнитные полюсы
Для опыта нам понадобятся два стержневых магнита, гвоздь. Поднесем гвоздь к магниту с разных концов и к центру, почувствуйте, где притяжение сильнее. Соединим два магнита конец в конец. Разъединим магниты, перевернем один из них и снова попробуем их соединить. Что происходит?
Концы магнита притягивают гвоздь сильнее, чем его середина. А конец одного магнита отталкивает один конец другого, но притягивается к противоположному (Приложение Б, рис. 3) .
Вывод: магнитная сила концентрируется на полюсах, то есть по концам магнита. Два одинаковых полюса отталкиваются друг от друга, а два противоположно заряженных – притягиваются (Приложение В, рис. 1).
Магнитное поле – это область вокруг магнита, внутри которой ощущается воздействие магнита на внешние объекты [3]. Органы чувств человека не способны видеть магнитное поле, но вспомогательные устройства доказывают, что магнитное поле существует. Обычно для демонстрации существования магнитного поля насыпают железные опилки на лист бумаги, которые образуют красивые узоры при расположенном под листом магните (Приложение В, рис. 2). Существует современный вариант демонстрации магнитного поля с магнитной пленкой (Приложение В, рис. 3).
Опыт №2. Силовые линии.
Требуется:
Железные опилки;
Магнит в форме цилиндра;
Стеклянная банка;
Стеклянна колба, подобранная по размеру магнита;
Масло.
Для проведения опыта нам потребуется налить в стеклянную банку масло, аккуратно насыпать в неё железные опилки в небольшом количестве. Закройте банку крышкой. В колбу поместите магнит.
Аккуратно взболтайте масло с опилками. Пока они не осели на дно, поднесите к банке магнит в колбе (Приложение В, рис. 4). Можно опустить колбу прямо в масло. В результате опыта опилки расположились в масле по концам магнита, образуя линии, которые показывают зону активности магнита. Эта зона называется магнитным полем.
Вывод: Чем дальше от полюсов, тем магнитная сила слабее. Если предметы находятся внутри магнитного поля, то они притягиваются. Магнитные поля располагаются вокруг магнита в упорядоченном виде.
1.3 Индукционный ток
Что же служит причиной появления тока в катушке, в цепи которой нет источника тока? Ток в катушке всегда возникает при изменении магнитного поля, в котором она находится. Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным [8]. Индукционный ток, так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов.
Явление возникновения индукционного тока в контуре называют электромагнитной индукцией.
Для опыта нам понадобится:
Катушка с медным проводом 0.5мм;
Гальванометр;
Магнит.
Ход эксперимента: в центр катушки помещается магнит. Стрелка гальванометра отклоняется и показывает напряжение в цепи (Приложение Г, рис. 1).
Вывод:в замкнутом контуре в цепи из катушки и гальванометра, при изменении магнитного поля, возникает электрический ток. Он является индукционным.
1.4 Индукционный фонарик или фонарик Фарадея
Однажды я искал новые эксперименты и изобретения в сети Интернет. Я случайно увидел ролик, на котором был показан индукционный фонарик. Это изобретение очень заинтересовало меня, я решил сделать такой же.
Тема вечных источников энергии упорно не сходит с уст ученых и мастеров всего мира. Однако среди большинства попыток увеличить КПД или получить неиссякаемую энергию находятся и такие, которые были придуманы еще на заре эры электричества [8].Фонарик на основе принципа электромагнитной индукции, способен без дополнительных источников батарей, аккумуляторов работать десятилетиями!
Фарадей - изобретатель электродвигателя и первооткрыватель электромагнитной индукции, именно на ней и основан принцип действия индукционного фонаря. Чем отличается данный фонарь от других, и почему у него личное название? Этот фонарь совершенно не нуждается в батарейках, он полностью основан на альтернативном источнике питания - электромагнитной индукции. Для того, чтобы фонарь излучал свет, достаточно потрясти его, а в самом фонаре установлен генератор и аккумуляторная батарея, которая накапливает энергию от "тряски". Сила тока зависит от скорости движения магнита в катушке.
В основу действия индукционного фонарика положен закон электромагнитной индукцииФарадея, который является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов. Закон гласит:
Для любого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус[6]. или другими словами: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
При этом индукционный ток направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.
Глава 2. Сборка индукционного фонарика (фонарь Фарадея)
Принцип работы индукционного фонарика: в изолированном корпусе - цилиндре находится индукционная катушка, сквозь сердечник которой проходит неодимовый магнит. При пересечении магнитного поля катушки, полярность потенциалов меняется, соответственно и при обратном движении. Полученный небольшой потенциал электрического тока, преобразуясь из переменного в постоянный, накапливается в конденсаторе.
Материалы:
Светодиод, один или несколько;
Диодный мост;
2 электролитических конденсатора с емкостью 2200 мкФ и 100 мкФ и напряжением до 25 Вольт;
Медная проволока (0,5 мм толщиной);
Мощный цилиндрический магнит;
Кнопка;
Небольшие магниты для заглушек цилиндра по краям
Трубка с внутренним диаметром чуть больше чем магнит и заглушками по краям.
Инструменты:
Ножницы;
Паяльник;
Изолента;
Термоклей.
Ход сборки: сборка осуществляется по схеме (Приложение Г, рис. 2). Взять пластиковую трубку с заглушками на концах. На заглушки с помощью термоклея приклеить магниты разными полюсами по отношению друг к другу. Вставить в трубку основной магнит, потрясти ее и посмотреть, где он примерно останавливается и идет в другую сторону. Далее намотать медную обмотку в тех местах, где магнит останавливается и идет обратно. Зачистить выводы медной катушки и с помощью флюса припаять выводы диодного моста для переменного тока. Припаять к диодному мосту 4 провода, по 2 к каждому выводу. К одной паре выводов припаять конденсатор, соблюдая полярность. Оставшуюся пару выводов припаять к светодиоду, соблюдая полярность, другой конец припаять к выключателю. Второй вывод выключателя припаять к конденсатору. Конденсатор припаять параллельно к светодиоду (Приложение Г, рис. 3).
Опыт №3. Работа индукционного фонарика (фонаря Фарадея)
Первичная катушка индуктивности служит фактически источником питания или полностью заменяет его привычный аналог – батарейку. За счет перемещения в ней стержня из постоянных магнитов, индуцируется электрический ток. Из-за колебательных движений в магнитном поле создаются электрические волны, исходящие от катушки с определенной частотой. Стабилизировать их и преобразовать в постоянный ток помогает выпрямитель или диодный мост.
Без накопительной емкости такое устройство пришлось бы постоянно трясти, поэтому следующим элементом в схеме выступает суперконденсатор, способный подзаряжаться по типу аккумулятора. Число витков может быть одинаковым, и обычно составляет 300-320. Чем тоньше провод, тем выше напряжение и меньше ток.
Вывод:действие фонаря основано на законе Фарадея: при прохождении магнита внутри катушки из медной проволоки возникает ток, аккумулирующийся в конденсаторе. Для работы фонарика достаточно потрясти его. Магнит, перемещаясь взад-вперёд между резиновых упоров, проходя внутри катушки, зарядит конденсатор, фонарик, после включения кнопкой, начнёт работать.
Заключение
Благодаря своим чудесным свойствам магнит активно используется человеком в повседневной жизни. В нашей жизни магниты нашли очень широкое применение. Чаще всего мы даже и не подозреваем об их наличии во многих предметах ежедневного использования, таких как наушники или микрофоны, громкоговорители и кредитные карты, различные носители информации. Проведенные нами опыты позволили нам сделать следующие выводы:
Два одинаковых полюса магнита отталкиваются друг от друга, а два противоположно заряженных – притягиваются.
Магнитная сила концентрируется на полюсах, то есть по концам магнита. Чем дальше от полюсов, тем магнитная сила слабее. Если предметы находятся внутри магнитного поля, то они притягиваются. Магнитные поля располагаются вокруг магнита в упорядоченном виде.
В замкнутом контуре в цепи из катушки и гальванометра, при изменении магнитного поля, возникает электрический ток. Он является индукционным.
Энергия может быть преобразована из одного вида в другой. Действие фонаря основано на законе Фарадея: при прохождении магнита внутри катушки из медной проволоки возникает ток, аккумулирующийся в конденсаторе.
Проводя практические эксперименты в домашних условиях, можно улучшить внимание, память, аналитические навыки, мелкую моторику. В ходе работы я научился планировать организацию своей деятельности.
Во время работы мы испытали большие и маленькие магниты, попытались объяснить магнитные явления с помощью законов физики. Таким образом, наше предположение о том, что действие индукционного фонаря можно объяснить, опираясь на физические законы, свойства магнита и явлениямагнетизма верно.
Список литературы
Большая книга экспериментов / Под ред. Антонеллы Мейяни; Пер с ит. Э.И. Мотылевой. – М.: РОСМЭН, 2016. -264 с.
Вайткене Л.Д. Физика. – Москва: Издательство АСТ, 2017. – 256с. – (Полный курс занимательных наук).
Гулиа Н.В. Удивительная физика. – М.: ЭНАС, 2008. – 416с.- (О чем умолчали учебники).
Ди Специо, М. Занимательные опыты: электричество и магнетизм / М. Ди Специо; пер. с англ. М. Заболотских, А. Расторгуева. – М.: АСТ: Астрель, 2005. – 160с.: ил.
Кабардин О.Ф. Физика: Справ. Материалы: Учеб. пособие для учащихся. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение, 1988. – 367 с.: ил.
Кастильо, Серхио Парра. Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция / Наука. Величайшие теории. — М.: Де Агостини, 2015. — 122 с.
Констанстиновский М. А. Почему Земля – магнит? – М.: ЗАО «РОСМЭН», 2014. -24с.
Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений: Пер. с англ. В 2-х т. Т. 2. – М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1987. – 384 с., ил.
Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Фирма «Издательство АСТ»». 1999. – 480 с.
Интернет – источники:
www.dic.academic.ru
www.electrik.info
www.fizika.ru
www.wikipedia.org
Приложение
Приложение А
Рис. 1.Магнитные линии человека, Земли и Солнца
Рис. 2.Применение магнитов
Приложение Б
Рис.1. Пастух Магнус
Рис.2. Магнитное поле
|
Рис.3.Магнитная сила концентрируется по полюсам |
|
Приложение В
Рис. 1. Свойства магнитов
Рис. 2. Магнитное поле
Рис. 3. Магнитная пленка
Рис. 4. Опыт с железными опилками в масле
Приложение Г
Рис. 1. Индукционный ток
Рис. 2 Схема сборки индукционного фонарика
Рис. 3 Индукционный фонарик или фонарь Фарадея