VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание модели индукционного нагревателя
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В магазинах продаются электрические плиты. Мы привыкли, что принципом их действия является выделение тепла при прохождении электрического тока через нагревательный элемент плиты. Но в последнее время в продаже появились индукционные плиты. Чем же они отличаются от обычных плит и почему стоят дороже? Изучив этот вопрос, мне стало понятно, что применение индукционного нагрева, в немалой степени, обусловлено сокращением природных запасов и повышением стоимости углеводородного топлива, необходимостью принятия мер по охране окружающей среды, созданию безотходных технологий. Применение индукционного нагрева имеет ряд достоинств:
существенное снижение загрязнения окружающей среды;
получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива;
создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков;
строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии.
выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе.
Целеполагание
Цель моей работы: Создание модели индукционного нагревателя.
Задачи, которые стояли передо мной были следующие:
Изучения принципа работы индукционного нагревателя;
Разработка конструкции модели нагревателя;
Сборка модели индукционного нагревателя;
Апробация модели нагревателя в действии, и её конструктивная доработка;
Демонстрация работы индукционного нагревателя;
Описание полученного результата.
Проблема, стоящая передо мной, заключалась в следующем: Собрать модель, работающую на постоянном токе, использование которого разрешено для работы учащихся, хотя для работы модели необходим переменный ток высокой частоты.
Объект изучения: Явление электромагнитной индукции
Предмет работы: Явление нагревания металла вихревыми токами, возникающими в результате явления электромагнитной индукции.
Продукт проекта: Действующая модель индукционного нагревателя.
Обзор изученности вопроса
В 1831 году Фарадей начал проводить опыты по электромагнитной индукции. На деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку, Фарадей обратил внимание на гальванометр. Он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее. Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение. Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных токов, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними до настоящего времени.
В начале 1832 года Фарадей демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита. Этот год теперь считается годом открытия явления электромагнитной индукции. Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделанным в 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя». Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальные индуктивные токи. Русский физик Эмиль Христофорович Ленц дал правило для определения направления индукционного тока. Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции дал английский физик Джемс Клерк Максвелл — творец законченной математической теории электромагнитного поля в 1861-62 годах. В настоящее время основы теории электромагнитной индукции лежат в основе очень многих современных устройств. Одно из них - индукционный нагреватель- я изучил в своей работе.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Электромагнитная индукция
В основе действия индукционного нагревателя лежит явление электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция - это явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Магнитный поток Ф – это физическая величина, показывающая поток векторов магнитной индукции В через площадь S, ограниченную контуром. Из формулы магнитного потока
видно, что магнитный поток Ф будет меняться, если меняется вектор магнитной индукции В, то есть магнитное поле должно меняться: то усиливаться, то уменьшаться. Источником магнитного поля является электрический ток. Следовательно, ток должен то возрастать, то уменьшаться, то есть быть переменным.
Индукционный нагрев
Как же добиться нагревания переменным магнитным полем? Устройство, которое формирует переменное магнитное поле, называется индуктором. Оно представляет собой своего рода спираль, состоящую из 6–8 витков медной проволоки. По проволоке должен протекать переменный электрический ток, поэтому во внутреннем пространстве спирали индуктора будет возникать переменное магнитное поле, а значит и будет меняться магнитный поток, пронизывающий индуктор. Если внутрь индуктора вставить проводник, то изменяющийся магнитный поток вызовет в проводнике появление электрических токов (токов Фуко), согласно явлению электромагнитной индукции. (Рис.1)
(Рис.1)
Под действием возникающих вихревых электрических токов проводник может разогреться до очень высокой температуры. Индукционный нагрев — это нагревание материалов вихревыми электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем индуктора.
Устройство индукционного нагревателя
Вихревой индукционный нагреватель состоит из следующих конструктивных компонентов: устройство, преобразующее постоянный ток в высокочастотный; индуктор, который образует переменное магнитное поле; теплообменник или нагревательный элемент, который расположен внутри индуктора. Индукционный нагрев проводится следующим образом.Электропроводящая заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода. В индукторе с помощью высокочастотного генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает переменное магнитное поле. Переменное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку. (Рис.2)
(Рис.2.)
Экспериментальная часть
Преобразователь сконструирован на основе печатной платы, схема которой показана на рисунке 3.
(Рис.3.)
Такая конструкция, по сути, представляет собой колебательный контур, который организован на транзисторах большой мощности. Важным элементом схемы является сопротивление, которое не будет давать возможности перегреваться транзисторам, что в целом скажется на эффективном функционировании всего индуктора. Преобразователь я выписал из интернет -магазина. Все остальные детали я изготовил сам. Индуктор сделал из нескольких витков медной проволоки, которые намотаны на металлическую трубку-теплообменник. Для демонстрации нагрева металлического стержня я помещал его в теплообменник, ждал несколько минут, доставал его и опускал в банку с холодной водой. Вода, которая касалась стержня, нагревалась и закипала. Это сопровождалось шипением и выделением водяного пара. (Рис.4)
(Рис.4)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы
Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ перед традиционным нагревом:
При нагреве стенки защитной камеры остаются холодными. Нагревается только электропроводящий материал.
Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной среде, в жидкости, в вакууме.
Нагрев и плавление любого электропроводящего материала являются высокоскоростным .
Высокий, близкий к 100%, КПД установки.
Сокращение использования углеродных видов топлива.
При работе над проектом мне стало понятно, что при использовании индукционной плиты нагревается толстое дно кастрюли вихревыми токами, а рабочая поверхность плиты не нагревается, там нечему нагреваться. Следовательно, КПД таких плит значительно выше обычных. Учитывая особенности индукционного нагрева, его можно применять:
Для сверхчистой бесконтактной плавки, пайки и сварки металла.
Для получения опытных образцов сплавов.
Для гибки и термообработки деталей машин.
Для обеззараживания медицинского инструмента и много другого.
Результаты
В ходе работы я достиг следующих результатов:
Изучил принцип работы индукционного нагревателя;
Разработал конструкцию модели нагревателя;
Собрал действующую модель индукционного нагревателя;
Продемонстрировал работу модели нагревателя для одноклассников.
Я думаю, что индукционные нагреватели в дальнейшем получат все более широкое распространение, благодаря своим преимуществам.
ЛИТЕРАТУРА
Википедия. Уравнения Максвелла. https://ru.wikipedia.org/wiki/
Касьянов В.А. Физика 11 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2019 год.
К истории открытия электромагнитной индукции . Интернет- ресурс. http://www.eduspb.com/node/1848
Перышкин А.В., Физика 9 класс. Учебник для 9 класса бщеобразовательных учреждений, Москва, «Дрофа», 2016 год.
Сделай сам своими руками. https://sdelaysam-svoimirukami.ru/3833-prostoy-indukcionnyy-nagrevatel-12-v.html
Студепедия. http://studepedia.org/index.php?vol=1&post=58755
KAVMASTER. http://kavmaster.ru/indukcionnyj-nagrevatel-500-vatt-svoimi-rukami/