XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последние годы Россия приступила к активному лечению пациентов и внесла многие меры чтобы не дать людям заразиться: изобрела вакцину, ввела правило ношения масок.В 2019 году во всём миреначалась пандемия «COVID-19», которая унесла жизни миллионов людей и также затронула Россию.
В России всё чаще встречаются случаи заболевания врачей и медицинских сестёр. Также встречается множество случаев, когда больные заражают друг друга (в тех больницах, где все пациенты собираются в одном месте, чтобы получить таблетки). Все это подчеркивает актуальность нашего исследования, создание распределителя нового поколения для транспортировки лекарственных препаратов. Такой транспорт, на наш взгляд, позволит разрешить проблему эффективного перемещения лекарственных препаратов в больницах, не нанося при этом вреда медицинским сёстрам и другим работникам.
Мы предлагаем заменить традиционный способ транспортировки лекарств на другой, более безопасный, а именно на медные или алюминиевые мини-туннели, по которым будет перемещаться препарат, используя технологию генерирования магнитного поля в медном или алюминиевом контуре.
Цель работы: теоретическое и практическое обоснование преимуществ использования распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции как самого безопасного.
Гипотеза: использование электромагнитных распределителей значительно уменьшает количество заболевших медицинских работников, и способствует нераспространению заразных болезней.
Предмет исследования: электромагнитные распределители.
Объект исследования: транспортировка контейнеров с лекарственными средствами.
Задачи:
1. Доказать, что электромагнитные распределители для транспортировки лекарственных средств, наиболее эффективный и безопасный метод будущего, не влияющий на здоровье медицинского персонала.
2. Объяснить преимущество электромагнитных распределителей.
3. Сделать модель электромагнитного распределителя.
4.Опытным путем исследовать возможности электромагнитного распределителя.
В работе были использованы следующие научные методы: исследование, анализ, систематизация, обобщение, опыт, эксперимент.
Практическая значимость: материал, представленный в нашей работе, может быть использован в больницах в качестве доставки лекарств и таблеток.
Перспективность темы проекта: в процессе изучения материала в рамках проекта обозначились новые направления для более глубокого теоретического и практического исследования нашей темы. В дальнейшем мы рассмотрим вопрос получения кинетической энергии при движении капсулы и дальнейшее её использование.
Структура проекта представлена введением, двумя главами, заключением и списком литературы, а также приложением к проекту являются модель распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции.
Глава 1 Общие вопросы теории и устройства электрических машин.
1.1. Общие сведения.
Машины, в которых преобразование энергии происходит в результате явления электромагнитной индукции, называются электрическими. Явление электромагнитной индукции возникает при изменении магнитного потока, связанного с обмотками машины. Это изменение может происходить или при перемещении обмоток в магнитном поле, или вследствие изменения во времени величины связанного с ними потока, или обоими этими способами.
Мы выяснили, что существует следующая классификация электрических машин (по роду потребляемой энергии):
- генераторы - машины которые преобразовывают механическую энергию в электрическую;
- двигатели - машины которые преобразовывают электрическую энергию в механическую;
- преобразователи - машины которые преобразовывают электрическую энергию в электрическую другого рода тока, частоты или напряжения;
- трансформаторы - машины которые преобразовывают электрическую энергию переменного тока одного напряжения — в другое.
Для всех электрических машин характерна обратимость, т. е. вращающаяся машина, может работать как генератор и как двигатель, трансформатор может быть повышающим и понижающим, преобразователь может изменять направление преобразования электрической энергии.
Классификация по роду тока:
- машины постоянного тока используются как двигатели, электромашинные усилители, тахогенераторы, генераторы и преобразователи напряжения постоянного тока. Двигатели постоянного тока обычно предназначаются для приводов, требующих широкого диапазона регулирования скорости вращения.
- машины переменного тока, к ним относятся синхронные и асинхронные машины, трансформаторы и коллекторные двигатели и преобразователи переменного тока. Асинхронные машины используются преимущественно как двигатели. Они просты в изготовлении, относительно дешевы и имеют надежную конструкцию. Поэтому асинхронные двигатели, по сравнению с двигателями других типов, получили наибольшее распространение.
Главное мы выявили много достоинств электрических машин.
- Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды.
- Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия — от 65 до 80% для машин мощностью около 1 кВт и от 95 до 99% для машин большой мощности.
- Электрические машины имеют малый удельный вес на 1 кВт мощности.
- Электрические машины характеризуются относительно малой стоимостью, компактностью, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания.
1.2. История развития электрических машин.
Принципиальная возможность создания электродвигателя постоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г.; в созданном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.
В 1834 г. Б. С. Якоби, академик Императорской Академии наук Санкт-Петербурга, создал двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением и назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для привода гребного винта речного катера.
Принцип обратимости электрических машин был сформулирован русским физиком профессором Императорского Санкт-Петербургского университета академиком Э.X. Ленцем.
Русский физик, электротехник Д. А. Лачинов в 1880 г. опубликовал труд «Электромеханическая работа», в котором рассмотрел вопросы, создания вращающего момента электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.
Большое значение в решении всех теоретических и практических вопросов работы машин постоянного тока имели в трудах советских ученых: А. Е. Алексеева, Д. А. Завалишина, Г. А. Люста, А. Б. Иоффе, В. Т. Касьянова, М. П. Костенко, В. С. Кулебакина, С. И. Курбатова, Л. М. Пиотровского, Е. М. Синельникова, В. А. Толвинского, К. И. Шенфера, венгерского электротехника О. В. Бенедикта и др.
В настоящее время в рамках «Интерэлектро»1 разработана серия электродвигателей постоянного тока типа ПИ мощностью от 0,25 до 750 кВт, которая выпускается электропромышленностью всех стран — членов СЭВ. Эти двигатели предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.
1.3. Теоретические основы доказательства эффективности создания распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции.
Летающие поезда считаются транспортом XXI в., работы над ними ведутся во всех развитых в техническом отношении странах. Работы над созданием такого транспорта начались в 1910 г., когда бельгиец Э. Башле – простой рабочий-монтер, не получивший никакого специального образования, построил первую в мире модель летающего поезда и испытал ее. 50-килограммовый сигарообразный вагон летающего поезда разгонялся до неслыханной тогда скорости – свыше 500 км/ч!
Магнитная дорога Башле представляла собой цепочку металлических столбиков с укрепленными на их вершинах катушками. Пока тока в этих катушках не было, вагон лежал на них неподвижно. Но после включения тока вагончик приподнимался над катушками и повисал в воздухе и разгонялся тем же магнитным полем, на котором подвешен.
В 1911 г. – профессор Томского технологического института Б. Вейнберг разрабатывает гораздо более экономичную подвеску летающего поезда. Он предложил не отталкивать дорогу и вагоны друг от друга, что чревато громадными затратами энергии, а притягивать их друг к другу обычными электромагнитами. Разумеется, дорога должна быть расположена сверху от вагона, чтобы своим притяжением компенсировать силу тяжести поезда.
Железный вагон первоначально располагался не точно под электромагнитом, а несколько позади него. При этом электромагниты подвешивались на «потолке» дороги на всей ее длине с некоторым интервалом между ними.
Пуская ток в первый электромагнит, вызывали и подъем железного вагончика, и продвижение его вперед, по направлению к магниту. Но за мгновение до того, как вагончик должен был прикоснуться к электромагниту и прилипнуть к нему, ток выключался, и вагончик, продолжая лететь вперед из-за набранной им скорости, начинал снижать высоту. Тут включался следующий электромагнит, и вагончик, попадая в его магнитное поле, опять поднимался вверх, увеличивая скорость движения вперед. Так по волнообразной траектории вагончик «перебегал» от магнита к магниту, не касаясь их (рис. 1).
Рис. 1 Подвеска летающего вагона Б. Вейнберга: 1 – электромагниты; 2 – вагон
Зная о большом сопротивлении воздуха при движении любого тела, в том числе и вагона, с высокими скоростями, изобретатель поместил свой вагон в немагнитную – медную трубу, из которой откачал воздух. Так как внутри трубы воздуха практически не было, отсутствовало и сопротивление, – вагончик имел форму обычного цилиндра. К верхней части трубы крепились электромагниты, которые разгоняли вагончик Б. Вейнберга до скорости 800 км/ч! С такой скоростью летели только снаряды крупнокалиберных короткоствольных пушек – мортир и минометов. Конечно, еще экономичнее было бы использовать вместо электромагнитов сильные постоянные магниты, но вот беда – их нельзя выключать.
Мы выяснили, чтобы магнит не прилипал к другому магниту, необходимо изменить полярность одного из них – и они будут отталкиваться (рис. 2).
Рис. 2. Отталкивание одноименных полюсов магнитов и есть принцип магнитной подвески
Дорогу, над которой должен быть подвешен поезд, вымостили магнитами так, чтобы они были обращены вверх одноименными полюсами. Днище вагона тоже было покрыто магнитами, обращенными вниз также одноименными полюсами, но так, чтобы вагон отталкивался от дороги (рис. 3).
Рис. 3. Вагон, подвешенный на постоянных магнитах:
1 – скользун; 2 – вагон; 3 – магнит вагона; 4 – магнит дороги
В начале XX в. для постоянных магнитов стали применять хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали, а в 30-х гг. – специальные магнитные сплавы, позволяющие получить очень сильные магниты. Сплав Гейслера, состоящий из двух парамагнетиков (марганца и алюминия) и одного диамагнетика (меди), – самый сильный ферромагнетик. Или удивительный сплав – сильманал. Он также не содержит ни одного ферромагнетика: марганец, серебро и алюминий. Сильманал дает очень сильные постоянные магниты, причем в отличие от большинства из них он не хрупок. Магниты из сильманала можно обработать на станках, прокатывать из него ленту, изготовлять проволоку.
Существуют, правда, магниты – чемпионы по своим свойствам, но они очень дороги. Например, сплав платины с кобальтом позволит получить магнит, способный поднять железный груз, в 2 000 раз больше собственного веса.
Более перспективны недавно появившиеся постоянные магниты из редкоземельных материалов самария, неодима и празеодима в их сплаве с кобальтом и железом. Магниты из редкоземельных элементов, например самарий-кобальтовые, обладая силой, не меньшей, чем платино-кобальтовые магниты, гораздо дешевле их. Современные цены на эти магниты всего в несколько раз больше, чем назаурядные, но они во много раз сильнее последних.
Ферриты, которыми вымощена одна из действующих магнитных дорог, при зазоре между магнитами в 10 мм позволяют получить подъемную силу в 12,3 кН на каждый квадратный метр замощенной площади пути. Масса же самих магнитов, например, для 100-местного вагона, рассчитанного на скорость 450 км/ч, составила 18 % от общей массы вагона. Достоинство такой магнитной дороги – простота и отсутствие затрат энергии на подвешивание поезда.
Перспективный проект дороги «Планетран», которая должна соединить восточное и западное побережья США, предусматривает поезд на магнитной подвеске в вакуумной трубе-тоннеле. Скорость поезда 22 500 км/ч. Выгода налицо: никаких затрат топлива с окислителем не понадобится – поездв трубе будет разгоняться бегущим магнитным полем, как в электромоторах, о чем было рассказано. А огромную кинетическую энергию, которую накопит этот поезд, можно будет отобрать от него таким же образом, только на режиме торможения. [4]
Мы думаем, что такой поезд может служить ещё и накопителем энергии глобального масштаба. Ведь каждый килограмм массы, движущейся со скоростью 8 км/с накапливает энергию в 32 МДж, или почти 10 кВт·ч. Это неслыханно большая удельная энергоемкость накопителя. Если масса поезда, например 106 кг, что является средним показателем, то он накопит почти 10 млнкВт·ч энергии. Накопленная энергия такого порядка существенно улучшит энергосистему нашей страны, её можно бы подавать в любую точку.
Расчеты показали, что для нужд России вполне хватило бы, дороги размером с Московскую кольцевую автодорогу (длиной 100 км). При этом и сам поезд должен быть замкнут в кольцо, а размеры «вагонов» по сечению могут быть всего 1 м. Естественно, труба, где будут «летать» такие энергонакопляющие поезда, как и в системе «Планетран», – вакуумная, а подвеска – магнитная. Проект такого «сверхнакопителя» оформлен как российское изобретение[4].
Теперь определим выгоды магнитной подвески, основанной на обыкновенных постоянных магнитах, с центровкой на миниатюрных, почти не нагруженных подшипниках. Мы выяснили, что она способна обеспечить следующие «рекордные» показатели:
– долговечность – десятки лет почти без обслуживания;
– малые потери энергии на вращение;
– высокие частоты вращения, недоступные обычным подшипникам.
Выводы по главе 1.
Изучив теоретический материал, мы выявили достоинства электромагнитных машин. Они вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды; обладают высоким коэффициентом полезного действия — от 65 до 80%; имеют малый удельный вес на 1 кВт мощности; характеризуются относительно малой стоимостью, компактностью, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания.
Также убедились в возможности создания распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции, и доказали, что его создание значительно уменьшит распространение вирусных инфекций.Такие распределители помогут человечеству уменьшить вероятность распространения вирусных инфекций в больницах и медицинских учреждениях. Главное, мы обнаружили, что при своем движении капсула создаст огромную энергию.
Глава 2. Практическое подтверждение возможностей использования транспорта на магнитной подушке.
2.1 Экспериментальное создание макета распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции.
Если пропустить ток через катушку (медная спираль), внутри нее образуется магнитное поле. Если линии поля точно параллельны, на стержневой магнит сила влиять не будет. Но на концах катушки, где силовые линии расходятся, стержневой магнит будет втягиваться в катушку или выталкиваться из нее, в зависимости от того, куда вы его вставите.
Капсула с таблетками в нашем распределителе лекарств будет двигаться за счет действующей силы Ампера. Мы выяснили, что обычно сила Ампера заставляет вращаться электродвигатели, но мы будем использовать иное её действие: она будет толкать капсулу с лекарствами вперед.
Для изготовления модели капсулы берем батарейку и несколько неодимовых магнитов, прикрепляем магниты к торцам батарейки так, чтобы с обоих торцов был один и тот же полюс. Помещаем нашу конструкцию на токопроводящую спираль (рис. 4). Капсула приходит в движение.
Рис. 4. Установка макета распределителя для транспортировки лекарственных средств
На каждый виток спирали нашего туннеля действует сила Ампера. Поскольку спираль тяжелее капсулы, она не сможет сдвинуться с места, и, согласно третьему закону Ньютона, капсула будет двигаться в противоположную сторону.
Необходимо учитывать тот факт, что между витками спирали есть небольшой промежуток, куда попадает капсула и ударяется о следующий виток, при этом возникает эффект торможения. Намотку спирали необходимо делать очень ровно и аккуратно, не допуская наличия таких зазоров.
Магниты изготовлены из проводящего материала и соединяют клеммы батареи с медной проволокой, так что батарея, магниты и медная проволока образуют контур, который генерирует магнитное поле в непосредственной близости от батареи. Поэтому на магниты воздействует сила.
Магниты тщательно выравниваются, поэтому сила на обоих магнитах указывает в одном направлении, в результате чего магниты и батарея движутся. Но по мере движения магнитное поле перемещается вместе с ними и получается постоянное движение. При движении капсулы изменяется магнитный поток, проходящий через витки, вследствие изменения магнитной индукции. А мы знаем, что при изменении магнитного потока возникает ЭДС индукции, которая препятствует этому изменению по закону электромагнитной индукции.
Магниты играют роль контактов батарейки, подключая ее к виткам катушки из медной неизолированной проволоки. Протекающий в катушке ток создает магнитное поле, которое и производит движущую силу, толкающую магниты друг к другу. Обмотка образует торроидальную поверхность, в которой и происходит поступательное движение за счет использования магнитных полей с использованием постоянного источника тока.
2.2 Технологическая карта создания модели
2.2.1. Необходимые материалы: алкалиновая батарейка, неодимовые магниты, медная неизолированная проволока, маленькая коробочка.
2.2.2. Изготовление.
В качестве источника постоянного тока берем обычную алкалиновую батарейку и закрепляем на полюсах неодимовые магниты. Дальше мы приступили к изготовлению капсулы. Мы взяли неодимовые магниты, как описывалось ранее, эти магниты являются одними из самыхсильных и они будут обеспечивать устойчивое магнитное поле. Тщательно выровняли их на края батарейки, поэтому сила на обоих магнитах указывает в одном направлении, в результате чего магниты и батарея движутся. Проверяем еще раз полярность магнитов и батарейки: «минус» батарейки должен быть присоединен к «плюсу» магнита и, наоборот, «плюс» батарейки должен быть присоединен к «минусу» магнита. В противном случае наша конструкция работать не будет. К батарейке крепим маленькую коробочку, которая выполняет роль капсулы.
По мере движения магнитное поле перемещается вместе с капсулой, в которой помещены таблетки и получается её постоянное движение. Для проведения испытаний был изготовлен специальный трек. Медную проволоку 55 метровой длины диаметром 0,8 мм, смотали в тугую навивку. Диаметр навивки зависит от батарейки и магнитов. Мы его сделали 16 мм – это на 2 мм больше, чем диаметр батарейки. Навивку медной проволоки проводили на металлическую трубочку, это и есть основа нашего распределителя.
2.2.3 Опытное исследование возможностей распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции.
Далее мы провели испытания. Запустили «капсулу» поверх распределителя и обнаружили, что она движется с постоянной скоростью. Изменяя количество магнитов на концах батарейки, мы изменяли скорость движения капсулы. Мы разложили распределитель от точки передачи лекарств до точки их получения.
Определение величины силы Ампера. С помощью блока и грузиков были найдены сила Ампера и сила трения, действующие на модель в эксперименте.
Сложнее было вычислить суммарную силу Ампера теоретически, поскольку силы Ампера действуют под разным углом относительно каждого витка спирали, так как магнитная индукция падает под разным углом к витку спирали, кроме того, у каждого витка своя величина магнитной индукции. Надо было найти все углы и значения магнитной индукции на каждом витке. На прозрачной пластинке отметили сечения витков спирали, затем под пластинку поместили магнит, а на пластинку насыпали железный порошок, крупинки железа выстраивались по силовым линиям магнитного поля, так мы определили углы, под которыми падают силовые линии на каждый отдельно взятый виток. Используя датчик Холла определили величина магнитной индукции около каждого витка. Все полученные элементарные силы Ампера сложили, получив теоретическое значение силы, которая действует на модель 0,12Н. В ходе исследования теоретическая и экспериментальная величины силы Ампера практически совпали.
Для вычисления коэффициента полезного действия (КПД) распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции,находим отношение полезной мощности к затраченной. КПД равно в этом случае 29%. Повышения КПД можно добиться, убрав полости между витками, при этом не станет ударов о витки спирали, сила трения станет равной силе трения скольжения, и КПД возрастет до 47%.
Вывод по главе 2.
Изучив законы электромагнитной индукции, мы смогли понять устройство и принцип действия электромагнитной тоннельной машины, предназначенной для транспортировки лекарств. Это позволило нам создать и исследовать её действие.
Заключение
В процессе нашего исследования мы смогли понять устройство и принцип действия распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукции, выявили теоретические и экспериментальные закономерности движения. Это позволило нам создать, и исследовать её действие. Мы доказали, что распределителя для транспортировки лекарственных средств, основанного на явлении электромагнитной индукциинеобходима для транспортировки лекарственных препаратов.
Мы создали действующую модель капсулы, провели эксперименты, и получили экспериментальные данные, которые подтвердили теорию. Был проведен ряд исследований, с помощью которых была найдена экспериментальная сила Ампера, действующая на капсулу. В экспериментальной части мы определили значение КПД и выяснили с помощью чего его можно увеличить.
Созданная нами модель - это инновация, так как работает по совершенно новому принципу, который раньше не применялся; имеет простую конструкцию. Конструкция автономна, требуется лишь иногда менять батарейки, проста в обслуживании и изготовлении. Мы измерили высокие показатели КПД и доказали, конструкция позволяет обезопасить мед.персонала в инфекционных больницах.
Результаты проектного исследования подтвердили нашу рабочую гипотезу: использование электромагнитных распределителей значительно уменьшает количество заболевших врачей, и способствует больным не заразиться другими болезнями.
Сказанное выше позволяет считать, что основная цель исследования (обоснование преимуществ использования электромагнитных распределителей для транспортировки лекарств и таблеток как самого безопасного вида транспорта лекарственных препаратов) нами достигнута.
Следует добавить, что тема данного проекта представляется перспективной для дальнейшей разработки: в ходе исследования обозначились новые аспекты в изучении данной проблемы и возможные варианты их решения.
Значит, такой электромагнитный распределитель может служить отличным накопителем энергии глобального масштаба. Накопленная энергия могла бы существенно улучшить энергосистему не только крупной страны, но и целого мира.
Литература
Абдулаев А.К. Развитие познавательных интересов у учащихся школы: Автореферат.дисс.канд.пед. наук.- М.,1953.
Голуб Г.Б., Перелыгина Е.А., Чуракова О.В. Основы проектной деятельности. Под ред. проф. Е.Я. Когана. Рабочая тетрадь 5-7 класс. Издательство «Учебная литература», 2007.
Исследовательский проект в вопросах и ответах: путеводитель для кадет и педагогов / сост. С.В. Мазова. Под общ.ред. Т.О. Машковской – Оренбург : Оренбургское ПКУ, 2015. – 22 с.
Гулиа Н.В. Удивительная физика. О чем умолчали учебники. Издательство: ЭНАС-КНИГА, Москва, 2005г. – 416 с.
Прокопенко Т.С. Опыты и игры с магнитами. Книга для детей. –М.: Интелектик 2015. –232 с.
Губко Н.С. Секреты волшебства. Книга для детей. – Ростов на Дону.: Ранок 201. –189 с.
Юный физик: домашняя лаборатория.
Приложение
Рис. 5 Изготовление витков из медной проволоки
Рис. 6 Прикрепление неодимовых магнитов к батарейке и запуск установки
1нМеждународная организация по экономическому и научно-техническому сотрудничеству в области электротехнической промышленности «Интерэлектро» учреждена на основе Соглашения, подписанного правительствами ряда стран, включая СССР, 13 декабря 1973 года