XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Левитирующий глобус

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сулейманов Р.Р. 1

---

1МБОУ "Гимназия №2" имени Б. Урманче НМР РТ

Мурзаханов М.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Гимназия №2" имени Баки Урманче Нижнекамского муниципального района Республики Татарстан

Работа в формате PDF

496.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мир прекрасен и удивителен! Вокруг нас окружает столько удивительных вещей и явлений, человечество не перестает удивляться.

Все живое и не живое подчиняется законам физики. Один из любопытных явлений считается магнетизм, и по сей день ученые не до конца изучили это явление и не все его секреты раскрыты. Всё вокруг нас и мы с вами живем в мире магнитов. Почти все предметы, даже живые организмы сами являются магнитами, не говоря уже о небесных и космических телах. Благодаря магнитному полю существует этот Мир.

Человек давно заметил уникальные свойства магнитов и использует в своих целях. После открытия электрического тока был изобретен электромагнит. На основе магнитов и электромагнитов придумано огромное количество полезных приборов и устройств, которые делает нашу жизнь проще.

В творческом проекте моя работа связана с постоянными магнитами и электромагнитами. Поделка несёт познавательный и развлекательный характер. На основе свойств магнитных полей я создал некое устройство и продемонстрирую его работу. Все этапы моей работы можно увидеть ниже, в творческой работе. Самой сложной частью является практическая часть – изготовление самого объекта труда, который изготовлен и собран в нашей школьной мастерской по технологии.

Поисково-исследовательский этап

Актуальность и обоснование проекта

Для повышения качества жизни и облегчения своей физической и умственной работы, человек с давних времен старался заменить свой тяжелый труд различными устройствами, станками и т.д. Так происходит и по сей день. Также на магнитах и электромагнитах основана работа многих сувениров, поделок и учебных стендов демонстрирующие свойства магнитов. Для понимания, что такое магнитное поле и как взаимодействуют магниты и электромагниты между собой, мне необходимо изготовить поделку, которая удивит окружающих людей, заинтересует их и можно будет использовать на уроках технологии, физики и географии, а также в качестве сувенира или подарка.

Было рассмотрено множество вариантов поделок и различных изделий, и одним из популярных я посчитал левитирующий глобус.

Исходя из выше сказанного, для изготовления объекта труда формулирую цели и задачи.

Цель: показать электромагнитные явления, взаимодействие и применение электромагнитов на примере сувенирной поделки изготовленной своими руками.

Задачи:

- разработать объект, работающий с помощью электромагнитов;

- подготовить конструкторскую и технологическую документацию;

- изготовить творческий проект;

- продемонстрировать его и рассказать принцип его работы в научно-исследовательской работе.

Общие сведения о магнитах, их применение

Немного истории. Более двух тысяч лет назад в малой Азии, у подножья холмов Магнезии, жил пастух с весьма распространенным в этой местности именем Магнус. Однажды, проходя по новому маршруту, со своим стадом он вдруг обнаружил, что неведомые силы будто бы приковывали его к земле. С каждым шагом идти было все труднее и труднее. Посох Магнуса, тоже стал вести себя странно - он начал «приклеиваться» к земле. Так человечество, с помощью простого бедного пастуха совершило открытие магнита. Гвозди на сапогах Магнуса и железный наконечник посоха притянулись к черному камню – магниту. С тех пор этот черный камень стали называть «Камнем Магнуса» или «Магнитом».

Свойства магнитов. В настоящее время свойства магнитов достаточно хорошо изучены. Магниты притягивают к себе железо, никель, кобальт и всевозможные стали. Дерево, стекло, пластмасса, бумага, ткань не реагирует на магнит. Если положить рядом с магнитом иголку или гвоздь они тоже становятся магнитами! Но когда мы убираем магнит, эти предметы утрачивают свои магнитные свойства. Магниты, сохраняющие свои магнитные свойства, называются постоянными магнитами. Они в доме находятся повсюду. Одни держат закрытыми дверцы холодильников, другие спрятаны в дверном звонке, в телефоне и т. д.

Магнитная сила магнита действует и сквозь стекло, сквозь воду или бумагу. Благодаря этой способности магниты используются при строительстве подводных сооружений, когда нужно закреплять кабель или держать инструмент под рукой. Магниты могут притягиваться даже на расстоянии. Чем больше магнит, тем больше сила притяжения и тем больше расстояние, на котором магнит оказывает свое воздействие. Этим пользуются в химических лабораториях, когда нужно перемешать стерильные вещества в небольших количествах. Благо в наше время существует большое разнообразие и видов магнитов (см. рис. 1).

Рис. 1. Виды магнитов

Электромагниты.

В моем случае особое внимание уделяется электромагнитам. Поэтому, основной объем моего исследования занимает решение проблемы применения электромагнитов, работающих под управлением датчиков (Холла).

Нейтральные электромагниты постоянного тока

Постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке.

Поляризованные электромагниты постоянного тока

Присутствуют два независимых магнитных потока — рабочий и поляризующий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В этих магнитах питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. Широко применяют в электротехнике, начиная от бытовой техники до плит электромагнитных для станков, при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля.

Применение электромагнитов.

Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах - электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи - телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения. 

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах. 

Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тон

н, а потребляемая при их работе электрическая мощность - от милливатт до десятков тысяч киловатт. 

Особой областью применения электромагнитов являются электромагнитные механизмы. В них электромагниты используются в качестве привода для осуществления необходимого поступательного перемещения рабочего органа или поворота его в пределах ограниченного угла, или для создания удерживающей силы. 

Примером подобных электромагнитов являются тяговые электромагниты, предназначенные для совершения определенной работы при перемещении тех или иных рабочих органов; электромагнитные замки; электромагнитные муфты сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в реле, контакторах, пускателях, автоматических выключателях; подъемные электромагниты, электромагниты вибраторов и т. п. 

В ряде устройств наряду с электромагнитами или взамен их используются постоянные магниты (например, магнитные плиты металлорежущих станков, тормозные устройства, магнитные замки и т. п.). 

Также, электромагниты могут использоваться в декоративных предметах, например: левитирующий глобус, левитирующий горшок с цветком и т. д.

1.3 Банк идей

Начало работы.

После выбора проекта, я приступил к покупке необходимых мне компонентов и работе с ними. По схеме который мне прислали я спаял плату управления электромагнитым, которая будет держать левитирующий неодимовый магнит посредством датчика Холла. После того, как плата была собрана я принялся искать различные варианты для корпуса платы с начинкой и для материала, из которого будет изготовлен глобус.

1.3.1 Сбор информации

Левитирующий глобус.

Этот проект – один из видов устройств, в котором наряду с электромагнитами, используются неодимовые и ферритовые магниты. Наряду с электромагнитами в нём очень важен датчик Холла.

Датчик Холла основан на эффекте Холла. Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота. Он помогает удерживать магнит в равновесии. Если магнит перемещается больше в одну сторону, то дальний электромагнит начинает его притягивать, а близкий отталкивать.

1.3.2 Анализ прототипов

В интернет-магазинах и на прилавках магазинов можно увидеть некоторые сувениры и подарки, которые можно приобрести за определенную цену. У всех них используется один и тот же принцип работы, схожее строение, которые использованы для их изготовления.

1.3.3 Вариативность. Выбор оптимального варианта

Для обеспечения создания качественного изделия с теми характеристиками, которые как можно больше будут отвечать требованиям, продумываю три различных варианта проекта (схема 1 и 2). В основном размышления ведутся по поводу конструкции, материала из которого будет изготовлен корпус электромагнита и левитирующий предмет. Для размышления представлю варианты в виде опорных схем.

Схема 1. Выбор формы

К орпус

Схема 2. Выбор материала

Л евитирующий предмет

В схемах обдумывания мой выбор подчеркнут. В итоге я решил что, корпус будет изготовлен из древесины (осины), в котором вырезано место для электрической начинки, приобретенной в интернет магазине, а в роли леветирующего предмета будет разборный глобус, изготовленный из пластика на 3Д-принтере.

Разработка конструкторско-технологической документации

Выбор технологии изготовления

Для полноценной работы и изготовления моего объекта труда я должен подготовить материально-техническую базу Таблица 1.

Табоица 1. Материально-техническая база

Конструкторская документация

Чертеж глобуса

Чертеж глобуса Чертеж крышки глобуса

Краткое описание изготовления и

готовый вид творческого проекта

Для комфортной работы подготовил материально-техническую базу, приобрел необходимые мне радиокомпоненты. После того как я их получил службой доставки, начал сборку и пайку электронной начинки – электромагнитного устройства удерживающий глобус. Схему можно увидеть в Приложении 2. Всю электронику решил поместить в деревянный корпус для придания эстетического вида. Следующий этап поиск и выбор левитирующего, парящего в воздухе предмета. Из нескольких вариантов я выбрал глобус. Он распечатан на 3д-принтере и обклеен разверткой карты земного шара. Хочу добавить что за место глобуса можно установить любоё другой предмет.

Готовый вид проектной работы.

Заключительный этап

Экономическое и экологическое обоснование проекта

Моя работа имеет себестоимость, которую можно подсчитать.

Сама плата с комплектующими и доставкой обошлась мне в 3000 руб., за ней последовал флюс, который стоил 120 руб., и растворитель для флюса стоимостью в 150 руб. Остальное было в наличие в нашей гимназии и достались мне бесплатно.

В итоге весь проект мне обошёлся в 3270 руб., что на 2730 рублей дешевле, чем покупной левитирующий сувенир из магазина.

Мой проект с уверенностью можно считать экологичным. Так как при изготовлении не образовывалось большого количества отходов. А во время эксплуатации изделие не выделяет вредных веществ в атмосферу, использованы природные материалы – древесины, для изготовления корпуса левитрона.

Анализ проделанной работы. Испытание проекта

Я достиг поставленной цели и задачи, работой остался доволен. Она была долгой и упорной. После её окончания, я стал рассчитывать примерную массу, которую может выдержать магнит (выдерживает вес примерно 200г). Я могу выделить следующие преимущества: глобус вышел дешевле, чем готовый, сделан своими руками в мастерской, корпус сделан той формы, которую я хотел, выдерживает достаточно большой вес, необычная конструкция, которая может впечатлить людей, способность менять левитирующие изделия. Есть недостаток, который свойственен всем левитронам, а именно плохая устойчивость на неровной поверхности, то есть желательно запускать его на ровной плоскости.

Мой проект можно применять как сувенир, декор к интерьеру комнаты, также его можно использовать на уроках технологи, физики и на уроках географии.

4. Список литературы

Электромагниты и их применение: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/499-jelektromagnity.html

Электромагнит: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнит

Эффект Холла: https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла

Приложение 1

Технологическая документация

Изготовление корпуса.

Изготовление глобуса.

Приложение 2

Принципиальная электрическая схема

Приложение 3

Фотобанк