XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение свойств детектора переменного тока

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рябикин Я.К. 1

---

1МБОУ ЦО № 15 "Луч" г. Белгорода

Провоторов Д.А. 1

---

1МБОУ ЦО № 15 "Луч" г. Белгорода

Работа в формате PDF

569.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Зачастую даже «косметические» ремонтные работы в доме или квартире сопровождаются разрушением перегородок и других стен, перемещением розеток или выключателей. Одно дело, если данные процедуры выполняются в новостройке, другое — на объекте, сданном в эксплуатацию. В последнем случае опасность демонтажа связана с тем, что под слоем штукатурки в стенах находятся электрические провода. Неправильная последовательность действий можно привести к смертельному удару током.

На помощь могут прийти специальные приборы – детекторы переменного тока, которые являются одним из главных инструментов электрика. Он без труда обнаружит место прокладки проводов. Благодаря этому прибору, сохраняется целостность кабеля от ударов дрели или перфоратора. Анализируя цены детекторов в магазинах и на сайтах интернет - магазинов, диапазон цен варьируется от 1400 рублей до 5500 рублей.

Актуальность: темы проекта обусловлена потребностями в создании конкурентоспособного бюджетного прибора, который может пригодиться электрику или монтеру в работе с электропроводкой для обнаружения переменного электромагнитного поля.

Гипотеза: поскольку закон электромагнитной индукции (ФАРАДЭЯ) указывает на возникновение электродвижущей силы (ЭДС), то нам предоставлена практическая возможность изготовить прибор для регистрации ЭДС.

Цель проекта: создать простой в эксплуатации прибор низкой себестоимости для детектирования переменного тока.

Задачи проекта: 1. Изучить закон электромагнитной индукции (Фарадея); 2. Изучить принцип работы детектора переменного тока; разработать схему и действующий макет детектора скрытой проводки; 3. Экспериментально установить эффективность работы детектора. 4. Сделать выводы по дальнейшему совершенствованию детектора.

Объект исследования: Детектор переменного тока - устройство для поиска электромагнитного поля.

Предмет исследования:Вариантыдетектирования переменного тока в различных бытовых приборах.

Методы исследования: изучениенаучной литературы; экспериментальное детектирование переменного тока в проводах бытовых приборов (телевизор, утюг, холодильник, пылесос, ноутбук).

Глава I. Теоретическая часть

1. 1. Детектор переменного тока – что это такое?

Электрическая проводка в современных домах чаще всего встречается скрытая, как более безопасная и незаметная. Чёткое знание нахождения электропроводки поможет нам избежать коротких замыканий и несчастных случаев. Чтобы поиск проводов, спрятанных под слоем штукатурки, не стал настоящей проблемой при ремонте квартиры, достаточно иметь в своем арсенале детектор переменного тока. 

Детектор переменного тока — это бесконтактный индикатор напряжения, который используется для определения установившегося электростатического поля от переменного напряжения через изоляцию [2]. С помощью индикатора определяют, например, можно ли забивать дюбель в стену, не повредив проводку. Или безопасно ли прикасаться к оголенному проводу. А если провода в защитной оболочке, прибор поможет понять, где конкретно находится поврежденный участок. Также без риска можно проверить напряжение в патроне лампочки – вы точно не замкнете контакты в цоколе.

По сути, детектор является достаточно простым прибором, при его помощи несложно будет обнаружить трассу пролегания скрытой проводки, обнаружить точку обрыва проводов. Детекторы имеют достаточно простую схему, разобраться в ней по силам даже учащимся школы. Работают детекторы от элементов питания, одного или нескольких.

1. 2. Принцип работы детектора переменного тока

Электрическая проводка – это сеть кабелей различного сечения, проходящая по каналам в стенах, полах и потолках. Посредством электропроводки различные участки помещения снабжаются электрической энергией, питающей приборы, которые от нее зависят. Перед проведением каких-либо монтажных работ необходимо использовать детектор переменного тока, который позволит обнаружить провод под отделочным покрытием той или иной поверхности [5].

Список задач, с которыми поможет справиться детектор:

• поиск электрического провода внутри стены;

• обнаружение распределительной коробки;

• выявление обрыва электроцепи;

• определение места расположения армирующего материала внутри стены.

Прибор состоит из таких ключевых узлов:

• датчик, который служит антенной для обнаружения электрических полей;

• усилитель;

• индикатор.

Принцип работы детектора переменного тока схож с принципом работы металлоискателя [8]. Металл провода – алюминий или медь – при прохождении через него ток создает возмущения в магнитном поле, распространяющемся вдоль него. Прибор считывает показатели изменений в поле и выводит данные о них на экран или датчик.

Если проводка отсоединена от источника электроэнергии, магнитное поле вдоль провода будет оставаться спокойным.

Для выявления наличия проводки в подобном случае такие приборы оснащаются функцией генерации магнитного поля. При прохождении через материал стены, попадая на металл, оно изменяется.

Детектор фиксирует эти изменения, обрабатывает их и выводит информацию о них на экран или датчик в понятном для пользователя виде. Чем большее напряжение проходит через скрытый провод, тем наиболее сильное влияние оно оказывает на магнитное поле вокруг проводки. Ярко выраженные изменения быстрее считываются прибором и точнее интерпретируются.

Понимание физических принципов работы детектора скрытой проводки позволяет нам создать эффективный прибор для обнаружения электрических кабелей в стенах, полах или потолках [3]. Важно правильно подобрать компоненты и собрать устройство согласно схеме для достижения наилучших результатов при поиске скрытой проводки.

1. 3. Виды детекторов переменного тока

Не все индикаторы скрытой проводки имеют одинаковую схему работы и функции. Производители пытаются снабдить оборудование дополнительными опциями для получения конкурентных преимуществ. Существует несколько классификационных категорий детекторов [9].

Основное деление индикаторов скрытой проводки происходит по физическим принципам, на основе которых строиться их работа.

Различают такие типы детекторов: электростатические; электромагнитные; металлодетекторы; комбинированные устройства.

Электростатические детекторы используют в работе регистрацию излучения электромагнитного поля образованного вокруг проводника тока, который находится под напряжением. Такой подход является самым распространённым способом детектирования скрытой проводки. Недостаток такого метода в том, что при повреждённой или обесточенной проводке использовать прибор бесполезно. Они имеют невысокую цену и просты в эксплуатации.

Электромагнитные детекторы – это такой вид прибора, принцип действия которого основан на обнаружении электромагнитного излучения, возникающего в проводнике тока. Такое устройство состоит из датчика, антенны и усиливающей схемы. Недостатками бытовых приборов является слабая способность к восприимчивости электромагнитного поля. Для хорошей работы такого устройства необходима нагрузка на линию электропередачи минимум один киловольт.

Таким образом, использование его в быту неэффективно.

Металлодетекторы в чистом виде редко используются в качестве индикаторов проводки, потому что они одинаково реагируют и на медные трубы или провод, и на металлическую арматуру, и на гвозди и зажимы для проводов. Металлодетекторы обычно применяются для подтверждения слабых или неустойчивых сигналов, полученных другими датчиками.

Комбинированные индикаторы скрытой проводки стоят дорого, но и обладают хорошим функционалом. За счет использования одновременно нескольких методов обнаружения, эти приборы обеспечивают высокую эффективность работы. Кроме того, комбинированные детекторы переменного тока зачастую оснащаются дополнительными функциями, который необходимы профессиональным электромонтажникам.

По сфере применения ИСП разделяются на:

• бытовые;

• профессиональные.

Бытовые детекторы обычно оснащаются только одним датчиком, а также световым или звуковым индикатором обнаружения электропроводки.

1.5. Бюджет проекта

На просторах интернета, в журналах можно встретить большое количество всевозможных схем по самостоятельному изготовлению детектора скрытой проводки. Представленная нами схема отличается простотой, что в свою очередь делает изготовление устройства более легким и экономически выгодным. Малое количество компонентов не всегда означает плохую работу устройства. Скорее наоборот, ведь все мы знаем, чем проще механизм – тем он надежнее. В нашем случае отсутствие большого количества компонентов поможет избежать трудностей в изготовлении, а также в последующем использовании детектора.

Давайте составим бюджет и рассмотрим возможные риски нашего проекта.

Таблица 1 – Бюджет проекта

Как видно из таблицы 1 бюджет нашего детектора составляет 460 рублей, что в разы ниже детекторов, купленных в магазине.

Глава II. Практическая часть

2.1. Техника безопасности при выполнении работы

При создании самодельного детектора переменного тока необходима большая внимательность, осторожность и строгое выполнение правил техники безопасности [1].

При работе с электроизмерительными приборами необходимо соблюдать следующие правила:

• Перед использованием электроизмерительных приборов следует убедиться в отсутствии оголенных токоведущих частей.

• Во время работы необходимо следить за отсутствием контакта с опасными частями оборудования.

Для создания простого детектора скрытой проводки нам понадобится: транзистора, батарея и светодиоды. В процессе изготовления прибора нам нужно будет осуществлять пайку светодиодов паяльником. При работе паяльник разогревается до температуры более чем 200 ºС, поэтому очень важно тщательно соблюдать нижеприведенные правила техники безопасности:

• Никогда не дотрагивайтесь руками или другими частями тела до нагревательного элемента и жала паяльника. 

• Держите в руке паяльник только за предусмотренную для этого ручку и соблюдайте аккуратность при работе с ним. Неосторожное обращение с паяльником и припоем в разогретом состоянии чревато болезненными ожогами.

• В то время, когда непосредственно не работаете с паяльником и он находится в нагретом состоянии, устанавливайте паяльник на специальную термостойкую подставку.

• Не оставляйте паяльник включенным надолго без присмотра. После завершения работы обязательно отключайте его (вытаскивайте вилку из розетки).

• В связи с тем, что при пайке выделяется в незначительных количествах дым, выполняйте пайку в хорошо проветриваемом помещении.

• Не убирайте паяльник в коробку сразу после окончания работы. Он еще продолжительное время остается горячим! Подождите 10 минут или более, пока паяльник остынет.

Строгое соблюдение этих простых правил поможет избежать неприятных недоразумений и получить исключительно положительные эмоции от процесса изготовления детектора.  

2.2. Этапы создания детектора переменного тока

Принцип действия индикатора скрытой проводки основан на том, что вокруг электрического провода образуется электрическое поле, его и улавливает искатель [4]. Поэтому наиболее подходящим для самостоятельного изготовления индикатором переменного тока, является детектор, работающий по принципу регистрации электрического поля. Именно его мы и сделаем своими руками [7]. Для изготовления простейшего детектора скрытой проводки, схема которого основана на использовании транзистора, понадобятся детали и инструменты (Рис.1): паяльник; транзистор n-p-n структуры (трёхэлектродный полупроводниковый прибор); резистор на 1 кОм; светодиод; колодка для подключения; батарейка 9 В, типа «Крона»; медная проволока 0,5-0,8, мм.

Рисунок 1 – инструменты и детали для изготовления детектора

Первым делом изготовим поисковую антенны. Отрезаем кусок проволоки длиной примерно 30 см. Наматываем его на каркас 3-5 мм в диаметре. Шпажка подойдет. Вынимаем шпажку и немного растягиваем катушку [6]. Получилась антенна (Рис.2).

Рисунок 2 – Антенна

Собираем все по схеме (Рис.3).

Рисунок 3 – Схема сборки детектора

Сначала припаиваем транзисторы друг к другу. Эта конструкция из 5 деталей тем и хороша, что для нее не нужна плата - все собирается навесным монтажом. Припаиваем светодиод, затем резистор. Подключаем все это к колодке. И в завершении припаиваем антенну. В итоге получается готовый работоспособный образец (Рис.4).

Рисунок 4 – Готовый детектор

Чтобы его включить, необходимо надеть колодку на батарейку. Подносим к проводу: светодиод загорается. При приближении к токоведущей проводке, светодиод отчетливо загорается.

Такой прибор не требует какой-либо настройки и при исправных деталях начинает работать сразу. Теперь можно без труда определить опасные для жизни места, где ни в коем случае нельзя сверлить.

2.3. Экспериментальное испытание детектора

Собрав собственный детектор переменного тока, мы решили провести экспериментальное исследование прибора (Приложение 1). Мы расположили антенну детектора параллельно проводам бытовых приборов таких как: телевизор, утюг, холодильник, пылесос, ноутбук. Измерили расстояние, на котором диод детектора перестаёт гореть. Результаты занесли в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты эксперимента

По результатам измерений мы сделали выводы. Чем выше мощность электрического прибора, тем больше расстояние, на котором возможно обнаружить электрический ток, тем больше электромагнитное поле.

По закону Фарадея изменение величины и направления магнитного потока вызывает электродвижущую силу (ЭДС). В нашем случае ЭДС регистрирует антенна нашего прибора. Сила тока в проводе I=JS, где J – плотность тока, S – площадь поперечного сечения провода. Следовательно, ЭДС зависит от размеров антенны провода, а также от силы тока, длины и диаметра провода, по которому протекает электрический ток, создающий меняющееся во времени магнитное поле.

Поэтому для того, чтобы регистрация прибором магнитного поля происходила на большем расстоянии необходимо: 1) расположение антенны параллельно проводу; 2) большая сила тока в проводе (большая мощность прибора); 3) большая длина и малый диаметр провода.

Заключение

Если перед проведением незначительных монтажных работ в квартире или доме в вашем распоряжении окажется детектор переменного тока, то это позволит значительно повысить безопасность проведения ремонта. Устройство, изготовленное своими руками, может стать альтернативой дорогостоящего искателя. Хотя его эффективность будет ниже, тем не менее, данный прибор будет хорошим помощником при ремонте помещений и электроприборов.

В ходе проекта мы убедились на собственном опыте, что создание подобных приборов требует, разумеется, определенных усилий как в плане к физической работы при конструировании устройства, так и умственной – для изучения основ работы подобных механизмов, выбора оптимальной схемы сборки и правильного применения детектора. Однако при наличии желания, даже с ограниченными ресурсными возможностями, можно изготовить этот прибор самостоятельно. Также при изготовлении детектора необходимо соблюдать технику безопасности.

Рекомендуем использованную нами схему сборки всем, кто заинтересован в конструировании электрических приборов, изучении электромагнитных явлений и просто всем, кто хочет помочь себе и своей семье во время домашних ремонтных работ. Не бойтесь и не ленитесь экспериментировать, создавая с учетом соблюдения техники безопасности электроприборы самостоятельно. Это не только позволяет вам сэкономить деньги, но и просто интересно и познавательно.

Таким образом, благодаря проделанной работе, мы своими руками конкурентоспособный бюджетный прибор, который может пригодиться электрику или монтеру в работе с электропроводкой и определением наличия электромагнитного поля.

Список литературы

1. Иноземцев В.А., Иноземцева С.В. Вводный практикум по электронике / Под ред. В.А. Иноземцева. - Брянск: Издательство БГПУ, 1997. - 78 с.

2. О. Ф. Кабардин. Справочные материалы по физике. - М.: Просвещение 1985.

3. П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук. Приборы и методы экспериментальной физики. Учебное пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 71 с.

4. Электрические измерения: учебник для студ. сред. проф. образования / В. А. Панфилов. — 3-е изд., испр. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 288 с.

5. Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 1991г

6. https://elektroznatok.ru/info/elektronika/bipolyarnyj-tranzistor.

7. https://infoelectrik.ru/elektrotexnicheskie-ustrojstva/iskatel-skrytoj-provodki-svoimi-rukami.html.

8. https://sovet-ingenera.com/santeh/tools/indikator-skrytoj-provodki.html.

9. https://www.maxidom.ru/blog/poleznye-sovety/kak-polzovatsya-detektorom-provodki/.

Приложение 1

Экспериментальное использование детектора