XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование явления электромагнитной индукции
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность: в современном мире растёт потребность в использовании устройств с принципом действия, основанном на электромагнитной индукции, которые способны заменить проводные конструкции. В современном мире человеку, в связи с загруженностью, необходимо по времени быстрее готовить пищу, а значит использовать мощные , удобные, экономичные электрические плиты.
Цель работы: Исследовать работу индукционной плиты, работающей на явлении электромагнитной индукции, сравнить мощность обычных электрических плит с мощностью индукционной плиты.
Гипотеза: Индукционная плита, основанная на явлении электромагнитной индукции, нагревает воду быстрее простых электрических плит, удобна в управлении и имеет большую мощность.
Практическая значимость: Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы различных электрических приборах, которые применяются активно во многих областях.
Новизна исследования: Использование приборов цифровой лаборатории проявляет интерес при изучении магнитных процессов , развивает практические навыки работы с оборудованием, эти умения нужны для глубокого изучения, понимания процессов, а также необходимы для будущей инженерной профессии.
Исследование явления электромагнитной индукции
Колода Алексей Сергеевич ,
Сургутский район, посёлок Солнечный, Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Солнечная средняя общеобразовательная школа №1», 10 класс
Научная статья
Введение
Электричество стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Его значение и практическую ценность для человечества сложно переоценить. Однако крайне неудобным в использовании его делают провода. Люди пытаются решить эту проблему, собирая альтернативные источники энергии, основанные на явлении электромагнитной индукции.
Актуальность: в современном мире растёт потребность в использовании устройств с принципом действия, основанном на электромагнитной индукции, которые способны заменить проводные конструкции. В современном мире человеку, в связи с загруженностью, необходимо по времени быстрее готовить пищу, а значит использовать мощные , удобные, экономичные электрические плиты.
Гипотеза: Индукционная плита, основанная на явлении электромагнитной индукции, нагревает воду быстрее простых электрических плит, удобна в управлении и имеет большую мощность.
Цель работы: Исследовать работу индукционной плиты, работающей на явлении электромагнитной индукции, сравнить мощность обычных электрических плит с мощностью индукционной плиты, а также сравнить значение вектора магнитной индукции магнитного поля .
Поставленная цель наметила следующие задачи:
Изучить явление электромагнитной индукции.
Изучить принцип работы индукционной плиты.
Подобрать необходимые приборы, материалы и провести опыты по выявлению мощности различных электрических плит и их сравнение с мощностью индукционной плиты.
Провести измерение значения вектора магнитной индукции с помощью датчика индукции магнитного поля DT156 из цифровой лаборатории Архимед , используя компьютерную программу MultiLab .
Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Объект исследования – явление электромагнитной индукции.
Предмет исследования – индукционная печь.
Практическая значимость: Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы различных электрических приборах, которые применяются активно во многих областях.
Новизна исследования: Использование приборов цифровой лаборатории проявляет интерес при изучении магнитных процессов , развивает практические навыки работы с оборудованием, эти умения нужны для глубокого изучения, понимания процессов, а также необходимы для будущей инженерной профессии.
Методы исследования: поиск информации, прямых и косвенных измерений, сравнений, обобщение и систематизация материала, построение таблицы, гистограммы, фото.
Основная часть.
Явление электромагнитной индукции.
В 1822 году в лабораторном дневнике английского физика-экспериментатора Майкла Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». На рассуждения его направил опыт Эрстеда, суть которого заключалась в том, что при пропускании через прямолинейный металлический проводник электрического тока магнитная стрелка, расположенная под ним, поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. [1]. Приложение 1.
Десять лет спустя, в 1831 году Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции (ЭМИ). С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831—1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству».
Физические основы явления электромагнитной индукции
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, электрического поля при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре: в замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур. Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток. Неважно, каким образом добиться изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки. Приложение 2.
Если изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой. Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при введении магнита внутрь катушки и при его выведения из катушки, а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле, которой пронизывает первую катушку. Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил не электростатической природы, или о возникновении электродвижущей силы индукции. [2]
Применение явления электромагнитной индукции в различных электрических приборах.
1.Генераторы. В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
Приложение 3. Индукционный генератор
2.Трансформаторы.
Трансформатор – это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте. Действие трансформатора основано на использовании явления электромагнитной индукции.
Приложение 4. Схема трансформатора
3. Металлодетектор. Принцип действия металлодетектора основан на явлении регистрации электромагнитного поля, которое создается вокруг любого металлического предмета при помещении его в электромагнитное поле. [3]
Приложение 5. Ручной металлодетектор
4. Индукционные расходомеры (счётчики)
Принцип действия индукционного расходомера основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении электропроводящей жидкости (в том числе и водопроводной воды) через однородное магнитное поле в ней, как в движущемся проводнике, возникает электродвижущая сила, пропорциональная средней скорости потока. Индукционный расходомер имеет в своей конструкции электромагнит, полюса которого прикрепляются по обе стороны трубопровода. Напряжение, возникающее в жидкости, снимается электродами, располагаемыми перпендикулярно внешнему магнитному, полю, и подается на измерительный прибор. [3]
Приложение 6. Индукционный расходометр
5.Индукционная печь.
Индукционная технология используется в приготовлении пищи с начала XX века. Но широкое распространение она получила только в последние десятилетия. Все существующие плиты и варочные панели выполняют одну и ту же задачу — готовят еду. Но индукционная техника действует принципиально иначе: такие модели не нагреваются, обладают высоким КПД и безопасны. Есть у них и свои минусы: от стоимости до необходимости обновления посуды. [4]
Приложение 7.Индукционная плита
Индукционная плита — это разновидность электрической варочной панели, в которой применяется принцип электромагнетизма. Главное отличие здесь — в способе передачи тепла. Если в классических плитах оно идет от трубчатого нагревательного элемента (ТЭН) , то в индукционных источником служит посуда.
Как работает индукционная плита
Главные рабочие элементы такой плиты — индукционные катушки с медной обмоткой. Они располагаются под стеклянной панелью соответственно разметке конфорок. В момент, когда по виткам катушки проходит ток, образуется высокочастотное магнитное поле (от 20 кГц до 100 кГц).
Приложение 8.Схема индукционной плиты.
Под его воздействием в металлической посуде, поставленной на конфорку, возникают вихревые токи, в этом процессе вырабатывается тепло — оно и нагревает дно кастрюли или сковородки. Поверхность варочной панели при этом не раскаляется. От нее может ощущаться некоторое тепло — его отдала посуда. [5]
Плюсы индукционной плиты.
1.Скорость разогрева. При индукции тепло передается непосредственно на посуду. Поэтому пища нагревается, а вода закипает намного быстрее..
2.Безопасность. Поскольку поверхность плиты не нагревается, риск травмы или случайного возгорания сводится к минимуму. Это особенно актуально, если в доме есть дети или животные.
3.Контроль температуры. Благодаря индукции регулировать температуру готовки можно точнее. При выключении теплообмен сразу прекращается, так что вероятность выкипания или подгорания минимальна.
4.Легкая очистка. Как и традиционные электрические варочные панели, индукционные имеют гладкую стеклянную поверхность. Поскольку они не нагреваются, брызги или кусочки еды не пригорают.
5.Энергоэффективность. Эти модели не нагревают воздух вокруг посуды, поэтому полезное тепло не теряется. КПД индукционных плит самый высокий — они способны передавать до 90% электромагнитной энергии . Для газовых и электроплит этот диапазон составляет от 30% до 70% в зависимости от модели.
Минусы
1.Шум. При работе индукционных плит может возникать негромкое жужжание или гудение. Обычно это связано с типом посуды, которая используется. Более легкие сковороды из нержавеющей стали могут производить больше шума, чем тяжелые.
2.Зависимость от размера. Варочная панель не включится, если поставить на конфорку посуду меньшим диаметром. Обычно производители рекомендуют закрывать не менее 60–70% ее площади.
3. При некоторых неисправностях ремонт индукционной плиты может оказаться дороже, чем электрической, из-за большего числа электронных блоков управления.
4.Специальная посуда. Покупка индукционной плиты потребует замены кухонной утвари.
Посуда для индукционной плиты
Для приготовления пищи на индукционной плите используют посуду только из ферромагнитного металла, то есть с большой магнитной проницаемостью. Например, чугун и сталь. Самый простой способ проверить, подходит имеющаяся кухонная утварь или нет, — поднести ко дну магнит. Если он прилипнет, то использовать такую посуду можно.
Медные, керамические, глиняные или алюминиевые сковороды и кастрюли для готовки на таких плитах не подходят, если только дно посуды не имеет металлической вставки. В противном случае плита просто не заработает.
При использовании индукционной плиты производители советуют придерживаться нескольких правил:
Диаметр дна посуды должен соответствовать размеру конфорки. Для большинства плит минимальный размер 12 см.
Для равномерного и эффективного нагрева следует выбирать посуду с плоским и толстым дном. Слишком тонкое днище может деформироваться в процессе готовки.
Перед покупкой следует изучить маркировку на посуде. Для индукционных плит она содержит специальный знак в виде спирали или слово induction.
Особого ухода такая посуда не требует, ее можно мыть так же, как и любую другую. [5]
Практическая часть.
Чтобы доказать гипотезу : индукционная плита, основанная на явлении электромагнитной индукции, нагревает воду быстрее простых электрических плит, удобна в управлении и имеет большую мощность, необходимо провести исследования, опыты с индукционной плитой и с простыми электрическими плитами по нагреванию воды.
Приборы для проведения эксперимента: металлическая кастрюля для индукционной плиты , литр воды, весы, термометр, секундомер.
На первом этапе провели исследования с индукционной плитой Bosch по нагреванию воды 1 кг от 35 0 С до кипения 100 0 С, засекали время. Взяли кастрюлю № 1 диаметром - 13,5 см, площадь 143 см3. После кипения смотрим на результат.Три минуты и двадцать девять секунд и индукционная печь BOSCH довела воду до кипения. Приложение 9.
Приложение 9. Опыт1. Индукционная плита BOSCH.
Так же провели опыт, но уже с кастрюлей № 2 большим диаметром -17,5 см, площадь 240 см3. Налили 1 литр воды. Начальная температура такая же 35 0 С. Засекли время.
Три минуты 13 секунд. Из этого мы можем сделать вывод, что чем больше площадь у посуды, тем быстрее она доводит воду до кипения.
Далее провели исследования с обыкновенными электрическими плитами по нагреванию воды 1 кг от 35 0 С до кипения 100 0 С, засекали время. Использовали кастрюлю № 1 диаметром - 13,5 см, площадь 143 см3.
2.Металокерамическая печь Indesit. Двенадцать минут и шесть секунд и печь довела воду до кипения. Уже видна разница между металокерамической печью и индукционной.
Приложение 11. Опыт 2. Металокерамическая печь Indesit.
3.Электрическая плита Hotpoint-Ariston.
Приложение 12. Опыт 3. Электрическая плита Hotpoint-Ariston.
Одиннадцать минут и пять секунд до кипения воды.
4.Электрическая плита Darina.
Приложение 13. Опыт 4. Электрическая плита Darina.
Время кипения одиннадцать минут и девятнадцать секунд. Такое время понадобилось плите Darina для кипения воды.
Основываясь на данных времени кипения различных плит определяем мощность по формуле
P= A/T
Чтобы найти мощность , нужно работу электричества разделить на время работы при закипании.
Работа равна количеству теплоты при нагревании воды A=Q
, где
С - постоянная величина 4200 Дж/кг 0 С
m - масса воды 1 кг.
t1 – начальная температура 35 0 С
t2- конечная температура 100 0 С
По результатам вычислений составили таблицу 1 .
Таблица 1.
|
Название печи |
Время закипания воды Т,с |
Мощность , Вт |
|
Индукционная печь Bosch диаметр кастрюли № 1 - 13,5 см, площадь 143 см3 |
209 |
1306 |
|
Индукционная печь Bosch диаметр кастрюли № 2 - 17,5 см, площадь 240 см3 |
193 |
1414 |
|
Индукционная печь Electrolux кастрюля № 1 |
210 |
1300 |
|
Металокерамической печи Indesit кастрюля № 1 |
727 |
376 |
|
Печь электрическая Hotpoint-Ariston кастрюля № 1 |
665 |
410 |
|
Печь Darina со стеклянным покрытием кастрюля № 1 |
679 |
402 |
По значениям из таблицы , построили гистограмму , где видно , что наибольшей мощностью при нагреве воды имеют индукционные плиты Bosch и Electrolux.Приложение 14.
Приложение 14. Гистограмма . Значение мощности.
Второй этап работы. На втором этапе работы замерили значение вектора магнитной индукции с помощью датчика индукции магнитного поля DT156 из цифровой лаборатории Архимед , используя компьютерную программу MultiLab. [6] Опыт 5. На фото датчик белого цвета. На фото экран ноутбука с графиком вектора магнитной индукции. Среднее значение индукционной плиты В=0,042 Тл. На экране видно, что величина вектора магнитного поля колеблется, это можно объяснить тем что электрический ток переменный и создает переменное магнитное поле.Приложение 15.
Приложение 15. Опыт 5. Определение вектора магнитной индукции индукционной плиты.
Такой же опыт 6 по определению вектора магнитной индукции провели с обычной электрической плитой . Среднее значение вектора магнитной индукции электрической плиты В=0,04 Тл, немного меньше, чем имеет значение индукционная плита.На первом фото электрической плиты видна деформация от частого нагрева плиты – это минус от нагревания комфорок плиты. Приложение 16.
Приложение 16. Опыт 6. Определение вектора магнитной индукции электрической плиты.
Анализ рынка продажи различных электрических плит.
Приложение 17. Анализ рынка продажи различных электрических плит.
Индукционная или электрическая плита?
По примерам цен индукционных и электрических плит, видно, что индукционные стоят на порядок дороже. Приложение 17. За что должен покупатель переплачивать? Индукционные панели имеют дополнительные функции:
встроенная вытяжка;
датчик распознавания посуды;
режим Booster, или временное усиление нагрева;
защита от детей и перегрева, переливания жидкости;
индикация остаточного тепла;
автоматическое отключение по таймеру;
возможность объединения варочных зон.
В квартире с маленькой кухней индукционная плита поможет избежать духоты и избыточного нагрева воздуха при готовке.
Делая выбор в пользу индукционной плиты, нужно быть готовым, что, скорее всего, потребуется некоторое время, чтобы привыкнуть к мгновенному нагреву и особенностям регулировки мощности.
Индукционная позволяет лучше экономить на счетах за электроэнергию, так как она не нагревается , а у простой электрической плиты ТЭНу требуется больше времени для достижения нужной температуры.
Заключение.
В ходе проведения исследования работы индукционных плит была доказана гипотеза: Индукционная плита, основанная на явлении электромагнитной индукции, нагревает воду быстрее простых электрических плит, удобна в управлении и имеет большую мощность.
Значение вектора магнитной индукции магнитного поля электрической плиты примерно одинаковое, как и у индукционной плиты.
Еще было выявлено много плюсов работы индукцинной плиты: большая скорость разогрева, безопасность, контроль температуры, легкая чистка, эффективность, экономия электроэнергии.
Эта работа углубила знания в различных областях (физика, информатика, математика). Опыты, проведенные в ходе нашего исследования, с использованием цифрового оборудования можно применить для более глубокого изучения процессов. В дальнейшем хотелось продолжить исследования и расширить свои знания по этой теме.
Список литературы и источников.
1.Энциклопедия школьника «4000 увлекательных фактов», Москва; «Махаон» 2006 г
2. Большая научная энциклопедия. Москва. Научное издательство.2007 г.
3.Семенов О. Ю., «Молодой ученый», «Издательство молодой ученый», 2016, №10, 74 с.
4.Гл. ред. А.М. Прохоров «Физическая энциклопедия», «Большая Российская энциклопедия», 1998, Т.5, 692 с.
5.Индукционные плиты. https://realty-rbc-ru.turbopages.org/realty.rbc.ru/s/news/61967cde9a7947d77013d34c
6.Датчики цифровых лабораторий . Справочное пособие. –Москва, 2013 г