ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Калинин Д.С. 1
1МАОУ "Лицей № 8" г. Перми
Маковая С.В. 1
1МАОУ "Лицей № 8" г. Перми
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В прошлом году мы начали изучать свойства магнитов и на основе полученных знаний собрали «магнитную пушку» и аналог электромагнитного двигателя с питанием от батарейки.

В этом году мы решили усложнить задачу и собрать электрогенератор на постоянных магнитах.

Электрогенераторы появились в 1831 году и используются в электроэнергетике по сей день. Большое количество электроэнергии производится именно электрогенераторами.

Актуальность. В современном мире, люди все больше и больше уделяют время различным электронным устройствам и гаджетам. Практически все вокруг нас работает на электричестве. Однако мало кто задумывается, каким образом производится это самое электричество. Одной из главных проблем на сегодня является нехватка специалистов в электроэнергетике. Таким образом, донеся до учеников школ информацию по такой интересной теме как электрогенератор, возможно получится заинтересовать некоторых связать свою жизнь и будущую профессию с электроэнергетикой.

Объект исследования: электрогенераторы.

Предмет исследования: модель электрогенератора.

Цели исследования – изучить информацию о том, как работает электрогенератор и сделать модель электрогенератора своими руками.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

  • изучить информацию о принципах работы электрогенераторов;

  • выяснить, для чего нужны электрогенераторы;

  • узнать преимущества использования электрогенератора на постоянных магнитах;

  • выяснить в каких областях деятельности применяются электрогенераторы;

  • найти все необходимые элементы для создания модели электрогенератора;

  • собрать модель электрогенератора;

  • выступить перед классом с презентацией (приложение 2).

Гипотеза исследования: мы предположили, что можно в домашних условиях сделать модель электрогенератора, используя постоянные магниты.

Основные этапы исследования:

  • сбор и анализ информации из печатных и интернет источников;

  • подбор, закупка необходимых материалов, элементов для создания модели электрогенератора;

  • создание модели электрогенератора;

  • создание презентации.       

Методы исследования:

  • изучение информации из различных источников;

  • сравнение;

  • анализ информации;

  • наблюдение;

  • эксперимент.

Практическая значимость нашей исследовательской работы заключается в том, что, мы показали как можно собрать своими руками электрогенератор на постоянных магнитах, показали одноклассникам его работу и рассказали о его актуальности в наше время.

2. Что такое электрогенератор, принцип его работы

Электрогенератор — устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию, путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Простыми словами, это установка, которая вырабатывает электричество.

Электрогенератор нужен для подачи электрического тока.

Он основан на принципе elektromagnetic индукции, который был открыт Майклом Фарадеем в 1831 году. Суть этого явления заключается в том, что изменение магнитного поля в проводнике создает электрическое поле, что в свою очередь вызывает индукцию электрического тока в проводнике.

Принцип работы электрогенератора основан на использовании электромагнитных явлений, т.е. движении проводника в магнитном поле или на изменении магнитного поля вокруг проводника. Когда проводник движется в магнитном поле или магнитное поле меняется, возникает электромагнитная индукция, что приводит к появлению электрического тока в проводнике.

Основными компонентами электрогенератора являются статор и ротор (рисунок 1). Статор – это неподвижная часть генератора, которая содержит обмотки проводов, создающие магнитное поле. Ротор – это вращающаяся часть генератора, которая содержит проводящие элементы, такие как катушки или магниты, которые, в свою очередь, пересекают магнитное поле статора.

Когда ротор вращается, он создает изменяющееся магнитное поле, которое воздействует на обмотки статора. Это приводит к индукции электрического тока в обмотках статора, который затем может быть использован для питания электрических устройств.

Важными характеристиками электрогенератора являются его мощность, напряжение, ток и частота. Мощность генератора определяет его способность поставлять электрическую энергию, напряжение – разницу потенциалов между его выводами, ток – сила электрического потока, а частота – количество циклов изменения тока в секунду.

Рисунок 1

Мотор ротора Статор

3. Преимущества использования электрогенератора на постоянных магнитах

Электрогенераторы на постоянных магнитах стали популярным выбором для производства электроэнергии, и это неслучайно. Они обладают рядом преимуществ, которые делают их привлекательным решением для различных приложений.

  1. Компактность и простота конструкции. Электрогенераторы на постоянных магнитах обладают малыми габаритными размерами и простотой конструкции, что делает их удобными для использования в различных приложениях. Они не требуют сложных механизмов и обеспечивают стабильную и надежную работу.

  2. Высокая эффективность. Электрогенераторы на постоянных магнитах обладают высоким коэффициентом полезного действия, что означает, что они эффективно преобразуют механическую энергию в электрическую. Это делает их идеальным выбором для использования во многих областях, включая возобновляемую энергетику.

  3. Надежность. Электрогенераторы на постоянных магнитах обладают высокой надежностью в работе. Благодаря отсутствию движущихся частей, такие генераторы имеют меньшую вероятность выхода из строя из-за износа или поломки. Это позволяет использовать их в условиях, требующих непрерывной работы без больших затрат на обслуживание и ремонт.

  4. Постоянное напряжение и низкий уровень шума. Электрогенераторы на постоянных магнитах генерируют постоянное напряжение, что позволяет использовать их в цифровых и электронных устройствах. Они также характеризуются низким уровнем шума, что делает их предпочтительными в приложениях, где важна низкая электромагнитная помехозащищенность.

  5. Низкая стоимость эксплуатации. В отличие от других типов генераторов, генераторы на постоянных магнитах требуют минимального обслуживания и практически не требуют затрат на топливо или другие расходные материалы для их работы. Это позволяет снизить общую стоимость эксплуатации и обеспечить долгосрочную экономическую эффективность.

Однако электрогенераторы на постоянных магнитах имеют и некоторые недостатки по сравнению с другими типами генераторов: ограниченная возможность регулирования напряжения и тока; зависимость от постоянного магнитного поля; высокая стоимость постоянных магнитов.

Но, несмотря на некоторые недостатки, электрогенераторы на постоянных магнитах остаются одним из наиболее эффективных и надежных способов генерации электроэнергии.

4. Применение электрогенераторов

Электрогенераторы применяют в различных областях деятельности.

В промышленности электрогенераторы используются для обеспечения электроэнергией различных производственных процессов. Они позволяют приводить в действие электродвигатели, осуществлять сварку, питать осветительные системы и другое оборудование.

Главным применением электрогенераторов в энергетике является само производство электроэнергии. Они преобразуют различные виды энергии, такие как механическая, тепловая или ядерная, в электрическую энергию. Электрогенераторы могут быть установлены на гидроэлектростанциях, тепловых электростанциях, атомных электростанциях и других объектах энергетики.

В транспортной отрасли электрогенераторы используются для питания электромоторов в электрических транспортных средствах, таких как электрические автомобили, поезда и трамваи. Они также применяются в авиации для обеспечения электроэнергией бортовых систем самолетов.

В бытовой технике электрогенераторы используются для питания различных устройств и приборов, таких как холодильники, стиральные машины, телевизоры и компьютеры. Они обеспечивают непрерывное электропитание в домашних условиях.

Так же, электрогенераторы также используются для обеспечения аварийного питания в случае отключения основного источника электроэнергии. Они устанавливаются в больницах, банках, телекоммуникационных центрах и других объектах, где непрерывность электроснабжения критически важна.

В общем, электрогенераторы имеют широкий спектр применения в различных областях и играют важную роль в обеспечении электроэнергией различных процессов и устройств.

5. Практический опыт «Электрогенератор на постоянных магнитах»

Для того чтобы начать сборку электрогенератора на постоянных магнитах, нам потребовалось найти некоторые элементы и купить то, чего у нас под руками не было.

  1. В качестве статора для нашего электрогенератора мы решили использовать вентилятор охлаждения от старого, не рабочего компьютера (приложение 1, фото 1). Мы его разобрали и получили первый основной компонент электрогенератора.

  2. Нашли в интернете и заказали неодимовые магниты размером 20*5 мм (приложение 1, фото 2). Магниты должны были позволить получить высокую мощность. Сегодня невозможно найти более мощного магнита, чем неодимовый, так как он отличается достаточно сильными характеристиками при своем компактном размере. Еще одно огромное преимущество неодимовых магнитов – это их разнообразие по габаритам, массе и силе. Именно это преимущество позволил подобрать нам неодимовый магнит точно по заданным параметрам.

  3. Купили болты с гайками, катушку с тонкой лакированной проволокой (приложение 1, фото 3, 4). Магниты и катушки послужили вторым основным элементом электрогенератора, которые являются ротором.

  4. Взяли пистолет с термоклеем, шуруповерт, отвертку, кусачки, молоток и ножницы (приложение 1, фото 5). Все это нам понадобится, чтобы собрать электрогенератор.

После того, как мы все подготовили, начался процесс сборки электрогенератора.

Сначала мы решили собрать катушку (приложение 1, фото 6) и проверить ее интересные свойства, а именно: Если на провод, намотанный в катушку подавать напряжение, то катушка приобретает электро-магнитные свойства и может притягивать металлические предметы; а если на катушку воздействовать постоянным магнитом, то катушка вырабатывает электрический ток. Для сборки такой катушки нам потребовались картон, медная проволока, болт, гайка и шайбы (приложение 1, фото 7). Мы вырезали из картона 2 кружочка размером с шайбы, отрезали прямоугольный кусок от обычного листа бумаги (приложение 1, фото 8). Намотали бумагу на болт для изоляции от проволоки (приложение 1, фото 9). При помощи молотка, болта и гайки пробили отверстия в круглых кусочках картона (приложение 1, фото 10). Круглые кусочки картона стали стенками нашей катушки, прямоугольный кусок бумаги стал изолирующим слоем и основанием, на которое накручивается медный провод. При помощи термоклея мы их скрепили (приложение 1, фото 11). Закрепив болт катушки в шуруповерт, мы намотали медный провод на катушку (приложение 1, фото 12). Провод по оба конца катушки мы подключили к источнику питания из 3-х пальчиковых батареек с напряжением в 1,5 Вольта (приложение 1, фото 13). Общее напряжение 3-х батареек получилось 4,5 Вольта. После этого наша катушка стала выполнять функцию электромагнита и притягивать металлические предметы, а болт внутри катушки выполняет функцию сердечника и усиливает электромагнитные свойства катушки (приложение 1, фото 14).

Далее, мы приступили к сборке модели электрогенератора. Разобрали вентилятор от блока питания, убрали лопасти и вместо них просверлили отверстия и закрепили винты. На винты приклеили постоянные неодимовые магниты (приложение 1, фото 15). Потом собрали все вместе и посмотрели, как это работает.

В корпусе вентилятора мы также установили 2 светодиода с напряжением в 1,5 Вольт, в уже имеющиеся отверстия и подпаяли проводки, идущие от катушки к контактам светодиодов.

Так как одна катушка вырабатывала очень мало электроэнергии, то светодиоды редко вспыхивали и не очень ярко, поэтому мы установили дополнительно еще 2 катушки.

Для вращения ротора нашего электрогенератора мы сделали ручку из болта. При вращении ротора светодиоды загораются, и чем быстрее он вращается, тем ярче горят светодиоды!

  1. Заключение

В начале работы мы выдвинули гипотезу, что в домашних условиях можно сделать модель электрогенератора, используя постоянные магниты.

Электричество – это ценный и необходимый для жизни ресурс. Эффективное и рациональное использование электроэнергии позволяет нам сократить расходы, сэкономить ресурсы и деньги, а также защитить окружающую среду.

Подводя итог работы над проектом «Электрогенератор на постоянных магнитах», можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в проекте, выполнены и достигнуты.

Наша гипотеза подтверждена. В домашних условиях мы смогли сделать электрогенератор на постоянных магнитах. Собранная нами модель электрогенератора конечно не сможет освещать даже небольшое помещение, но она наглядно показывает, что в целом это возможно.

Электрогенераторы обеспечивают надежный источник электрической энергии для питания различных устройств и систем.

  1. Список использованной литературы

  1. В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

  2. А.И. Бартош. Электрика для любознательных. Наука и техника, 2019.

  3. М. Заболотских, А. Расторгуева. Занимательные опыты: Электричество и магнетизм, М.: АСТ: Астрель, 2005.

  4. Я.И. Перельман. Занимательная физика. В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. А.В. Митрофанова. – М.: Наука, 2001.

  5. Физическая энциклопедия, Т.2. М., 2013.

  6. https://elektrik-a.su/raznoe/generator-na-postoyannyh-magnitah?ysclid=lq3jn3bjqx384902922#i-3

  7. https://nauchniestati.ru/spravka/princzipy-raboty-elektricheskih-generatorov/?ysclid=lq3l156rfy779085820

  8. https://elspecpro.ru/informbyuro/generator-na-postoyannyh-magnitah-svoimi-rukami.html?ysclid=lq3jyxl7e2200066363&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

  9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Генератор_постоянного_тока

  10. https://electric-220.ru/news/generator_na_postojannykh_magnitakh/2016-06-01-970?ysclid=lq3nihzds8912082529

  1. Приложение 1. Процесс сборки электрогенератора

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Фото 4

Фото 5

 

Фото 6

Фото 7

Фото 8

Фото 9

Фото 10

Фото 11

Фото 12

Фото 13

Фото 14

Фото 15

Фото 16

Фото 17

  1. Приложение 2. Презентация

Просмотров работы: 271