XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение электромагнита постоянного тока

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов В.Е. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Бугаева Л.В. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Работа в формате PDF

412.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

В современном мире широкого применения электротехнических устройств и оборудования особой популярностью пользуются электромагниты - устройства, генерирующие магнитное поле с помощью катушки, в которую подаётся электрический ток.

Трудно назвать такую область техники, где бы они не использовались в той или иной форме: от простейших бытовых приборов - электробритвы и телевизоры до электрических машин и различных устройств промышленной автоматизации. Без электромагнитов невозможно осуществление телефонной и радио связи. В настоящее время развивающейся областью применения электромагнитов считаются медицинские устройства, и с каждым годом открываются всё новые способы применения электромагнитов в различных направлениях инженерной науки.

В школьном курсе физики изучается общее устройство электромагнита и основные направления его применения, но к сожалению, недостаточное внимание уделяется способам подключения катушек и факторам, влияющим на величину подъемной силы электромагнита. Поэтому, считаю, что сборка электромагнита и изучение принципа его работы является актуальной темой исследовательской работы, расширяющей знания школьного курса.

Электромагниты имеют множество различных конструкций, отличающихся по своим характеристикам и параметрам, и могут использоваться как для постоянного, так и для переменного тока. Целью исследовательской работы является изучение электромагнита постоянного тока.

Задачи:

1. Собрать электромагнит.

2. Исследовать виды включения катушек электромагнита.

3. Определить подъемную силу электромагнита.

В ходе работы родилась гипотеза: самостоятельная сборка электромагнита позволит лучше изучить принцип работы индуктивно связанных цепей.

Объект исследования: электромагнит.

Предмет исследования: влияние способа включения катушек на величину силы тока и подъемной силыэлектромагнита.

Методы исследования: изучение литературы, моделирование и эксперимент.

II. Теоретическая часть

2.1. Устройство и принцип работы электромагнита

Из школьного курса физики известно, что электромагнит состоит из следующих основных частей:

• катушка (может быть несколько), выполненная из проводящего материала;

• сердечник, выполненный из ферромагнитного материала;

• подвижная часть магнитопровода (якорь).

В основе принципа работы электромагнита лежат два закона -это закон Ампера и закон Фарадея. Закон Ампера проявляется в том, вокруг проводника (катушки), по которому протекает электрический ток создается магнитное поле, а закон Фарадея - в возникновении электрического тока в замкнутой катушке при изменении в ней магнитного поля. Известно, что силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция –В. Вектор магнитной индукции имеет направление, на которое указывает северный конец магнитной стрелки в данном магнитном поле. Модуль магнитной индукции находится по формуле:

, где F max – максимальная сила действия магнитного поля на проводник длины l с током I. Единицей измерения этой величины в СИ является Тесла. На величину магнитной индукции электромагнита влияют:

• магнитная проницаемость сердечника- μ;

• количество витков катушки –n;

• величина силы тока, циркулирующего по обмотке (обмоткам) –I.

Важным элементом электромагнита является сердечник. Когда электрический ток проходит через катушки электромагнита, то сердечник намагничивается. При этом, собственные магнитные моменты материала сердечника выравниваются, суммируются и усиливают, тем самым, общее магнитное поле электромагнита.

2.2. Теоретическое обоснование индуктивно связанных цепей

Т.к. две катушки электромагнита одеты на общий сердечник, то магнитные потоки, наводимые токами одной катушкой, будут сцепляться с витками другой катушки. При этом магнитное поле одной катушки будет взаимодействовать с магнитным полем второй катушки. Такое соединение катушек электромагнита представляет собой пример индуктивно связанных цепей. Для них характерно согласное и встречное соединение.

В результате взаимодействия в каждой катушке будет наводиться ЭДС самоиндукции вызываемое собственным магнитным полем и ЭДС взаимной индукции, вызываемое соседней катушкой с током. В зависимости от направления намотки катушек, магнитные потоки в катушках электромагнита могут складываться и вычитаться.

Рассмотрим намотку витков в катушках так, как показано на рисунке 1, т.е. токи в катушках входят с одинаковых концов i₁ и i_2. Тогда, применяя правило правой руки и обхватывая ладонью катушку по направлению тока, видим, что магнитные потоки будут направлены по направлению большого пальца. Магнитные потоки первой и второй катушек Ф₁ и Ф₂ будут направлены в одну и ту же сторону, и их общий магнитный поток будет равен сумме потоков Ф=Ф₁+Ф_2., т.е. он будет усиливаться.

Такое направление токов в катушках, когда создаваемые ими потоки самоиндукции и взаимоиндукции совпадают, называется согласным.

Рис.1

Согласное соединение катушек

При другой намотке катушек, токи будут входить в катушке так, как показано на рисунке 2. Применив правило правой руки для второго случая, видим, что магнитный поток Ф₁ в левой катушке будет направлен влево, а магнитный поток в правой катушке Ф₂ - вправо. Магнитное поле второй катушки будет ослаблять магнитное поле первой катушки. Общий магнитный поток будет равен разности магнитных потоков, создаваемых первой и второй катушек Ф=Ф₁-Ф₂, и будет ослабляться. Такое направление токов в катушках, когда создаваемые ими потоки самоиндукции и взаимоиндукции противоположны, называется встречным.

Рис.2

Встречное соединение катушек

Рассмотрим согласное и встречное соединение катушек в схемах замещения (рис.3 и рис. 4). Они удобны тем, что в них не изображаются направления намотки витков, а пользуются понятием полярности. Один из зажимов катушки условно обозначим началом катушки, а второй –концом. Начало катушек на схемах обозначают звездочкой. Зажимы катушек, по отношению к которым токи направлены одинаково, называют одноимёнными или однополярными. Если ток втекает в начало катушки, то на схеме это обозначается звездочкой. Отсутствие звёздочки на схеме означает конец катушки.

Пользуясь понятием полярности, согласным будет называться такое соединение катушек, при котором ток i втекает в начало первой катушки и вытекает из её конца, далее ток втекает в начало второй катушки и вытекает из её конца. На рис. 3. изображена электрическая схема согласного соединения двух катушек.

Рис.3

Электрическая схема согласного включения катушек

На рис. 4 видно, что ток i втекает в начало первой катушки и вытекает из её конца, далее ток втекает в конец второй катушки и вытекает из её начала. Это будет встречное включение катушек.

Рис.4

Электрическая схема встречного включения катушек

Согласное и встречное соединение катушек электромагнита будет исследоваться в практической части работы.

III. Практическая часть

3.1. Сборка электромагнита. Исследование способов включения катушек

Для создания электромагнита был взят железный подковообразный литой сердечник, диаметром 7 мм и медный провод сечением 0,8 мм. Из провода было сделано две катушки с одинаковым количеством витков 113.

Катушки плотно прилегали к сердечнику и с него не снимались. Снизу электромагнит снабжался якорем (рис.5, рис.6).

Рис.5. Конструкция электромагнита	Рис.6. Якорь

Конструкция электромагнита укреплялась на штативе (рис. 7).

Рис.7.

Установка для проведения исследования

Используя конструкцию, на первом этапе было решено определить суммарное значение силы тока в цепи электромагнита при различных по массе подвешенных к якорю грузах. Испытания проводились при согласном соединении катушек и встречном соединении. Результаты испытаний электромагнита при согласном соединении катушек приведено в таблице №1, при встречном соединении катушек – в таблице №2.

Таблица №1 «Результаты опытов при согласном соединении

катушек электромагнита»

№	Масса груза, подвешенного к якорю,m, кг	Сила тока в цепи электромагнита, I, А
		1 опыт	2 опыт		3 опыт	Среднее значение
1	0,100	5,2		5,6	5,4	5,40
2	0,200	10,9		10,1	9,8	10,26
3	0,300	15,83		15,84	15,85	15,84

Таблица №2 «Результаты опытов при встречном соединении

катушек электромагнита»

Вывод: При согласном соединении катушек электромагнита сила тока больше, чем при встречном соединении. С увеличением нагрузки на якорь электромагнита, сила тока увеличивается как при согласном соединении, так и при встречном. При согласном соединении электромагнитных катушек сила тока увеличивается при увеличении нагрузки приблизительно на 5А, а при встречном соединении при такой же нагрузке – всего лишь на 0,1 А. Это подтверждает экспериментально тот факт, что при согласном соединении магнитные потоки двух катушек складываются, а при встречном соединении – вычитаются.

1. 2. Определение подъемной силы электромагнита

На следующем этапе работы определялась подъемная сила электромагнита. С этой целью установка была передела следующим образом: электромагнит был закреплён внизу штатива к верху якорем. В верхней части штатива укреплялся динамометр, к которому подвешивались грузы разной массы. Начальное расстояние между якорем электромагнита и грузами не превышало 1 см. От источника питания в цепь электромагнита подавался электрический ток и по шкале динамометра определялось значение силы, при которой груз притягивался к якорю электромагнита. Это значение интерпретировалось как подъемная сила электромагнита. На рисунке 8 представлена установка для проведения серии опытов по определению подъемной силы электромагнита.

Рис.8.

Установка для определения подъемной силы электромагнита

Ниже в таблицах 3 и 4 приведены результаты опытов.

Таблица №3 «Результаты подъемной силы электромагнита

при согласном соединении катушек»

Таблица №4 Результаты подъемной силы электромагнита

при встречном соединении катушек»

Вывод:По результатам опытов видно, что при согласном соединении катушек электромагнита подъемная сила больше, чем при встречном соединении. Также видим, что увеличение массы грузов не влияло на величину силы тока, как при согласном, так и при встречном соединении катушек.

IV.Заключение

Исследование электромагнита постоянного тока показало, что важным фактором, влияющим на величину подъемной силы электромагнита, является способ подключения его электромагнитных катушек. Экспериментально установлено, что при согласном соединении катушек сила тока в цепи электромагнита больше и его подъёмная сила тоже больше, а при встречном – наоборот: суммарная сила тока в цепи электромагнита меньше и меньше величина его подъёмной силы.

Самостоятельная сборка электромагнита позволила не только понять принцип работы этого устройства, но и лучше разобраться в работе индуктивно связанных цепей. Хотелось бы отметить еще одну особенность электромагнита, обнаруженную в ходе исследования – это остаточная намагниченность (индукция), которую нужно учитывать после отключения электромагнита от источника тока. Она возникает вследствие намагниченности материала сердечника, находящегося некоторое время в магнитном поле электромагнита.

Хочется надеяться, что в скором будущем появятся электромагниты с обмотками из сверхпроводниковых материалов. Это позволит применять большие токи в электромагнитных катушках и создавать электромагниты большой грузоподъемности.

Конструкция электромагнита, представленная в работе, может быть использована в качестве демонстрационной при изучении темы «Электромагниты» школьного курса физики, в качестве лабораторного оборудования при выполнении работ физического практикума, а также на факультативных и кружковых занятиях.

V. Список литературы

1. Перышкин А.В. Физика.8кл.: учебник /-2-еизд., стереотипное.-М.: Дрофа, 2014.-237 с.:ил.

2. Мякишев Г.Я. Физика.11 класс: учебник для общеобразовательных организаций базовый уровень/под редакцией Н.А.Парфентьевой. -5-е издание.-М.: Просвещение, 2018.-432 с.:ил.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики в 5 томах. Т.III. Электричество. -2-е издание. -М.:Наука., 2009.

4. Червенчук В.Д. Электрические аппараты. Тепловые процессы в электрических аппаратах.: учебное пособие /В.Д.Червенчук, А.Л.Иванов.Электрон. дан. -Омск:СибАДИ, 2016 г.

5. Элементарный учебник физики: учебное пособие в 3 томах. Том 3. Электричество и магнетизм /Под редакцией Г.С.Лансберга. -12-е издание.-М.:ФИЗМАТЛИТ,2001.-480 с.

6. https://mp6.by/informatsia/poleznaya-informatsiya/magnitoterapiya

7. https://www.uss-electro.ru/questions/elektromagnit-sostav-chasti-printsip-deystviya-i-primenenie-nauka