XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ИЛИ ПОЛЕЗНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ТЕПЛА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ерастов К.П. 1

---

1Филиал МБОУ «Лицей №11 г. Челябинска»,

Соколова О.А. 1

---

1МБОУ «Лицей №11 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

809 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Я постоянно интересуюсь автомобилями и тем, как в них всё устроено. Мне захотелось узнать, как работают автомобильные поворотники. Поиск ответа на этот вопрос меня привёл к знакомству с таким полезным изобретением человека, как электротермические элементы. Свои познания в этом вопросе я решил описать в данной работе.

Задачи работы:

1. Найти определение электротермического элемента и из чего он состоит;

2. Выяснить область его применения и понять принцип работы;

3. Собрать электрическую схему, где используется электротермоэлемент;

4. Экспериментально показать, как электрический ток влияет на температуру и работу электротермоэлемента.

Методы исследования:

- изучение материалов из литературных и интернет источников;

- самостоятельное проведения опыта;

- анализ проделанной работы

Основное содержание

1. Что такое электротермические элементы?

Электротермическим элементом обычно называют такую часть электрического прибора, при поступлении на который электрического тока, произойдёт его нагрев, и он изменит свою форму или длину. Обычно представляет собой пластину или нить. Их изготавливают из специальных материалов, которые называют "термобиметаллы"

Термобиметаллы, классифицирующиеся, как "инварные сплавы", представляют собой материал состоящий из двух или более слоев металлов или сплавов с различными температурными свойствами, благодаря которым элементы могут деформацию при изменении температуры. В их состав входят такие металлы как: нихром, медь твердотянутая, никель, железо, немагнитная хромистая сталь[1].

2. Область применения

Электротермические элементом применяются в регуляторах и реле, контролирующих температуру внешней среды, а также в аппаратах защиты, в которых биметалл нагревается под действием тока. Поскольку время нагрева зависит от величины тока, то ампер-секундная характеристика биметаллического элемента получается обратно зависимой (гиперболической): при увеличении тока уменьшается время нагрева, при котором пластина изогнется на определенный угол. Так как изгиб биметаллической пластины происходит довольно медленно, то контакты с целью улучшения их условий работы связаны обычно с пластиной через механизм, осуществляющий мгновенное размыкание. Биметаллический элемент чаще всего выполняется в форме прямой или U-образной пластины.

Применяются как защитные устройства: для защиты от перегрева (например, в электрочайнике) или от превышения силы тока (предохранители). могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние)[2].

3. Простой пример электротермического элемента на принципе работы реле автомобильных сигналов поворотов

Для примера я рассмотрел схему автомобильных сигналов поворотов ВАЗ 2101 (см. Приложение А). Главным рабочим элементом является нихромовая тонкая проволока в реле указателей поворотов, которая с изменением температуры имеет свойство деформироваться (см. Рисунок 1). Контакты её с одной стороны подключены к лампочкам, с обратной стороны с пластиной, замыкающейся на сердечник с поступающим током от переключателя поворотов на руле у водителя.

Рисунок 1. Реле указателей поворотов ВАЗ 2101

В обычном состоянии, когда поворотники не включены и ток не идет в цепь, пластина не примыкает к его основанию. Когда электроны начинают перемещаться, нихромовая проволока нагревается, удлиняется и замыкает пластину с сердечником. Лампочки загораются. После идет остывание нихрома, пластинка снова отходит, ток меняет направление, а лампочки горят вполнакала. Так как процесс охлаждения-нагрева происходит довольно быстро, 1–2 раза в секунду, происходит мигание поворотников. Так как в цепь подключена и лампочка, расположенная на панели приборов, она также начинает пульсировать. Специфическое щелканье прерывателя происходит из-за постоянных ударов сердечников о контакты[3].

4. Построение цепи с электротермическим элементом и экспериментальное исследование взаимосвязи тока и тепла

4.1. Построение электрической цепи

В предыдущем пункте я рассказал о главном свойстве электротермоэлемента на простом примере, как работают автомобильные поворотники. После у меня возникли следующие вопросы: «Почему моргание лампочек происходит всегда в постоянном интервале и как на это можно повлиять?». Чтобы разобраться, я собрал электрическую цепь поворотников, подобную автомобильной. Для пояснения, электрическая цепь — это электрические элементы, связанные проводниками для выполнения определенных функций[4].

Для этого мне понадобилось следующее: аккумуляторная батарея 12 вольт, четыре лампочки на 12 вольт, реле поворотов автомобиля ВАЗ 2101, переключатель, провода, соединительные клеммы и лист фанеры. 

Далее на листе фанеры я расположил все элементы цепи и запустил её в работу, подключив только одну лампочку.

После того, как схема заработала, меня удивило следующее - одна лампочка моргала очень быстро, не так, как лампочки в автомобиле. Но ведь в автомобиле одновременно с каждой стороны моргает несколько лампочек спереди, сзади, сбоку. Тогда я решил подключить в схему ещё одну лампочку и две лампочки стали моргать медленнее. После этого у меня созрела идея сделать следующий опыт.

4.2. Исследование на практике, как ток влияет на термические свойства элемента

и его работу

Опыт, который я решил провести, поможет мне разобраться в свойствах термоэлемента и подтвердить теоретические знания о нём. Для этого нужно понять, почему разное количество лампочек моргает по-разному. Для этого был разработан следующий ход эксперимента (см. Приложение Б):

1. Подключаем одну лампочку и подсчитываем количество мерцаний за 60 секунд. Результат показал 108 раз;

2. Подключаем две лампочки и повторяем замеры. Результат - 85 раз;

3. Далее подключаем третью лампочку. Результат - 70 раз;

4. В завершении опыта подключаем четвертую лампочку. Результат - 60 раз.

Результаты опытов мне показали, что чем больше лампочек в цепи, тем медленнее они моргают, тем самым их количество влияет на работу термоэлемента. А ведь все мы знаем, чем больше электрических приборов одновременно работает, тем больше они потребляют электрического тока. А лампочки в нашей цепи — это и есть электрические приборы. Получается, чем больше приборов подключено к электротермоэлементу, тем больше через него проходит электрического тока, а значит с каждым разом он всё сильнее и сильнее нагревается и медленнее-медленнее остывает. Это явление и объясняет, почему с добавлением лампочек они начинают моргать медленнее.

Заключение

Поставленная мною цель работы достигнута: я познакомился с электротермическими элементами и разобрался на опыте в их главном свойстве – нагреваться при поступлении на них электрического тока и при этом нагреве изменять свою форму или длину

В своей работе я рассмотрел самый примитивный пример использования термоэлемента. Но как показывают разработки ученых, развитие этой отрасли имеет большие полезные перспективы в космосе, медицине, промышленности, производстве гаджетов и многом другом. Одной из новинок является термоэлемент, состоящий из металлооксидных электродов и водного электролита. Он позволяет превращать тепло человеческого тела в электричество. А ведь это прекрасный способом для зарядки гаджетов.

Присутствие электротермоэлементов в жизни человека ещё останется на долгие годы.

Список литературы

Глаголев В.В., Маркин А.А., Пашинов С.В. Биметаллическая пластина в однородном температурном поле // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2017. – Т. 23. – № 3. – С. 331-343;

Биметаллические элементы электрических аппаратов // https://leg.co.ua/knigi/ucheba/konstruirovanie-nizkovoltnoy-apparatury/Page-15.html;

Кузнецов А.С. ВАЗ-2101, -2102. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. – М.: ИД Третий Рим, 2008. – 209с.;

Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638с.

Приложение А

Схема автомобильных сигналов поворотов ВАЗ 2101

Приложение Б

Поочерёдно, с увеличением количества, подключаем в цепь лампочки. В каждом опыте подсчитываем количество мерцаний за 60 секунд.

Таблица 1. Результаты опыта