VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Моя динамо-машина
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Каждый день мы просыпаемся и включаем свет, готовим еду с помощью микроволновой печи или плиты, кипятим чайник или делаем кофе в кофемашине, смотрим телевизор, работаем на компьютерах, используем другие бытовые приборы – всё это возможно только благодаря электричеству. Мы привыкли, что оно доступно нам всегда и везде. Мы не можем представить, что будем делать, если оно вдруг пропадет и не появится через час, два, сутки, неделю… Продолжится ли наша жизнь, если в электрических розетках не будет тока? Сможем ли мы тогда заставить электроприборы работать? Даже мне, четверокласснику, очень сложно ответить на этот вопрос. Но я попытаюсь своей работой вселить надежду, на то, что жизнь не закончится, если перестанут работать гидроэлектростанции или Green Peace закроет все атомные станции.
Проблема: как зажечь лампочку и запустить вентилятор, когда у тебя нет электрической розетки?
Гипотеза: предположим, существуют способы получения электрического тока в домашних условиях.
Актуальность темы: для любителей активного отдыха или жителей удалённых местностей, где наблюдаются проблемы с электроснабжением, полезным прибором будет зарядное устройство с встроенным генератором постоянного тока. Я заинтересовался, можно ли такой прибор сконструировать в домашних условиях, зажечь лампочку и запустить вентилятор, когда нет электрической розетки.
Новизна работы в том, что она начинается с простого детского любопытства и через простые доступные каждому ребенку эксперименты приводит к пониманию устройства динамо-машины и построению её простейшей версии, с помощью которой можно получить электрический ток.
Цель: узнать, как получают электричество и попробовать самим создать его.
Задачи исследования:
Узнать, что такое электрический ток, его виды и промышленные способы его получения.
Найти информацию об альтернативных способах получения электрического тока.
Оценить возможность создания домашней электростанции.
Получить ток в домашних условиях.
Этапы исследования:
Найти в интернете и справочной литературе информацию об истории открытия электрического тока и способах его получения в современном мире.
Попробовать найти сведения о других возможных способах получения тока.
Узнать, какие опасности скрывает в себе электричество.
Просмотреть в интернете информацию на тему: «Динамо-машина».
Исходя из найденной информации, собрать рабочий образец из доступных материалов.
Что такое электрический ток
История открытия электрического тока и его широкое использование насчитывают всего два столетия. Однако даже древние греки замечали, что, если потереть янтарь о шерсть или волосы, он будет притягивать лёгкие тела (пылинки, пушинки), а если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга. Слово "ήλεκτρο" на древнегреческом языке означает янтарь, в русском языке мы встречаем это слово, как Электрон. Древнегреческий философ Фалес Милетский считается одним из первых ученых, который занимался изучением электричества.
И вплоть практически до 17го века человечество не продвинулось дальше первых представлений об электричестве. Сам термин «электричество» в 1600 году ввел Уильям Гилберт.
Первую теорию электричества создал американец Бенджамин Франклин, который рассматривал электричество как «нематериальную жидкость», флюид в своей работе «Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год. Он также ввел понятие положительного и отрицательного заряда.
Электрический заряд — это свойство тел, проявляющееся, прежде всего, в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него
оказывать воздействие на другие заряженные тела. Функциональный источник электричества появился только в 1800 году, когда итальянский учёный Алессандро Вольта изобрел первое устройство для его получения — вольтов столб.
Он опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Это была своего рода батарея, производящая электричество и требующая замены или перезарядки. С тех пор технологии ушли далеко вперед, батареи становятся все более компактными, но ясно всем, что создать такую батарею, которая бы была способна удовлетворить потребности современного мира в электричестве, невозможно. Электрическая энергия должна непрерывно генерироваться и передаваться по линиям электропередач.
Традиционные и альтернативные способы получения электроэнергии
На сегодняшний день широко используются такие промышленные способы получения электроэнергии, как:
получение электроэнергии на тепловых электростанциях,
гидроэлектростанциях,
атомных электростанциях,
энергия ветра,
солнечная энергия.
Но человеческая мысль не стоит на месте, изыскивая возможности получения электроэнергии все более и более дешевыми способами. Таким образом, кроме традиционных способов в последние десятилетия были придуманы альтернативные источники электроэнергии. В сети интернет я нашел информацию о получении электричества из:
мелко нарезанной бумаги,
водорослей,
энергии вулканов,
энергии тепла человека,
энергии от давления и вибрации.
И если энергии мелко нарезанной бумаги хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов, то энергией водорослей уже сейчас отапливается и кондиционируется 15-ти квартирный дом в Гамбурге, а с гектара водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получить столько биогаза, сколько достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.
Однако, электростанции, использующие силы воды, атома, водорослей, вулканов требуют определенных природных условий, масштабных финансовых вложений и человеческих ресурсов. До сих пор миллиард человек (или 13% всего населения Земли) живут без электричества. В основном это жители Черной Африки и Азии, 87 процентов из них живут в сельской местности. Об этом говорится в докладе Всемирного банка The Energy Progress Report.
«Домашняя электростанция»
Зададимся вопросом: какие виды электростанций доступны в отдаленных районах земли, или попросту, туда, куда не протянуты электрические сети. При внимательном рассмотрении традиционных и перечисленных мною альтернативных видов электростанций, становится понятно, что гидро- и теплоэлектростанции, а также атомные станции надо вычеркнуть из списка доступных всем. Однако, даже на территории нашей страны уже существуют ветровые и солнечные электростанции, способные обеспечить энергией как отдельные домовые хозяйства, так и небольшие поселения.
Из альтернативных способов хочу отметить энергию тепла человека и энергию от давления и вибрации. Пока данные виды находятся лишь в разработках, но это дело времени, т.к. это то, что производится человечеством постоянно. Сейчас от тепла тела человека можно на несколько минут продлить разговоры по телефону, а продлить работу телефона в режиме ожидания на несколько часов. Иногда это критически важно. Но когда людей становится много – и результат увеличивается. На центральном вокзале Стокгольма установлены теплообменники для преобразования тепла, которое генерирует толпа, в горячую воду. Около 250 тысяч посетителей вокзала ежедневно нагревают трубы с водой в здании своим дыханием и движением. Потом нагретая вода используется для отопления соседних помещений.
Плохое свойство электричества
Я верю, что будущее за мелкими альтернативными электростанциями. Но, чем ближе к нам электричество, тем более аккуратно с ним надо обращаться. Как и многие окружающие нас явления, электричество наряду с положительными свойствами имеет и отрицательные. Электрический ток невидим и не обладает запахом. Определить, есть ли ток или нет, возможно только специальными приборами. Первое упоминание о смерти от электрического тока зарегистрировано в 1879 году во Франции в городе Лион, погиб плотник от генератора переменного тока. Поскольку человеческое тело является проводником с большой сопротивляемостью, при прохождении тока происходит быстрое нагревание человеческих тканей, что вызывает ожоги. Сила поражения и тяжесть зависит от многих факторов: от мощности разряда, от времени воздействия, от характера тока (постоянный или переменный), от состояния человека — состояние здоровья, возраст, влажности тела, а также от места соприкосновения и пути прохождения тока по организму. Необходимо помнить всегда, что электрический ток может убить человека!
Динамо-машина
От теории и истории перейдем к практике. Я задался целью узнать, смогу ли в домашних условиях получить электричество. На просторах интернета мне попался видеоролик о динамо-машине, от вращения ручки которой загоралась лампочка. При этом устройство не требовало ни подключения к электросети, ни батареек. Я подумал, что это именно то, что мне и надо для реализации моей задачи.
Динамо-машина – это устаревшее название генератора постоянного тока, который вырабатывает электрическое напряжение в результате вращения специального приводного механизма. Динамо-машина была первым электрическим генератором, который стал применяться в промышленности. В дальнейшем её вытеснили генераторы переменного тока, так как переменный ток поддаётся трансформированию.
Устройство динамо-машины состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором, или наоборот: вращается магнит, а катушка неподвижна. Получаемый ток может передаваться оборудованию или заряжать аккумуляторную батарею, которая в дальнейшем будет питать потребителей. Принцип работы машины объясняется физическим законом Фарадея. Эффективность зависит от скорости вращения катушки: чем выше скорость, тем большее напряжение и силу тока можно получить.
Первую динамо-машину изобрел венгерский физик Аньош Иштван Йедлик. Однако он не придал широкой огласке и не запатентовал свое изобретение, поскольку был уверен, что не первый, кто ее сделал. В 1832 году французский физик Ипполит Пикси сконструировал свое устройство генератора переменного тока. Оно представляло собой вращающийся магнит подковообразной формы, приводимый в движение вращением рычага, напротив которых были установлены две катушки индуктивности с железным сердечником. В дальнейшем к этому устройству был добавлен коммутатор для получения постоянного пульсирующего тока.
Сейчас динамо-машины применяются для питания осветительного оборудования на велосипедах, в некоторых видах ручных фонариков, радиоприемников, а также портативных зарядных устройствах для мобильных телефонов и MP-3 плееров.
Моя динамо-машина
Свою динамо-машину я собирал из того, что у меня было дома: электронного конструктора «Знаток» и моторчика Lego. Несмотря на то, что «Знаток» содержит 999 схем, в нем не было такого простого изобретения человечества, как динамо-машина.
Для машины мне понадобились:
моторчик иось Lego
две шайбы с одной соединительной клеммой
два светодиода и электродвигатель
два провода с соединительными клеммами
пластина.
Я собирал мою динамо-машину так: поставил две шайбы, электродвигатель и провода:
В моторчик вставил ось из Lego, подключил провода к контактам мотора, и готово:
Осталось лишь крутить ось и смотреть, как вращается пропеллер на электродвигателе:
Отмечу, что пропеллер вращается только тогда, когда я поворачиваю ось. И останавливается сразу же, как только я перестаю вращать.
Затем я меняю электродвигатель на зелёный светодиод.
Светодиод - это электронный полупроводниковый прибор, который начинает светиться при прохождении через него электрического тока. При этом здесь нужно соблюдать два основных правила:
соблюдать полярность батареи,
необходимо ограничивать ток, протекающий через светодиод.
Так как скорость вращения оси вручную не очень высокая, я не стал ставить никаких резисторов для ограничения тока. Однако, этой скорости хватило для того, чтобы светодиод зажегся!
И наконец, я заменил зелёный светодиод на красный. Я решил выяснить, важно ли соблюдать полярность батареи. Собрав схему с красным светодиодом, я начал вращать ось в обратном направлении. В результате, сколько я ни крутил ось, светодиод не зажегся.
Далее я решил выяснить, влияет ли скорость вращения оси на яркость свечения светодиода или на скорость вращения пропеллера. К оси я подключил шуруповёрт и нажал кнопку. Пропеллер с этом случае вращался значительно быстрее, а светодиоды стали светиться намного ярче и без п
еребоев.
Таким образом я на практике доказал, что от скорости вращения зависят напряжение и сила тока.
Заключение
В начале моей работы была озвучена проблема: как зажечь лампочку и запустить вентилятор, когда у тебя нет электрической розетки?
Я выдвигал следующую гипотезу: существуют способы получения электрического тока в домашних условиях.
В ходе работы я поставил перед собой цель: узнать, как получают электричество и попробовать самому создать его.
Задачами исследования были: узнать, что такое электрический ток, его виды и промышленные способы его получения, найти информацию об альтернативных способах получения электрического тока, оценить возможность создания домашней электростанции и, наконец, получить ток в домашних условиях.
В ходе исследования я нашёл в интернете информацию об истории открытия электрического тока и способах его получения в современном мире, а также сведения о других способах получения тока. При этом я отметил опасность, которую скрывает в себе электричество. Далее я посмотрел в интернете ролики и статьи на тему: «Динамо-машина». Исходя из этой информации, собрал рабочий образец своего генератора тока из деталей электронного конструктора «Знаток» и Lego.
Таким образом, моя гипотеза подтвердилась: в домашних условиях вполне реально получить электрический ток. Свой генератор я использовал для зажигания небольшого светодиода и запуска вентилятора. Но, имея подходящие трансформаторы и аккумуляторы, полученный ток можно было бы использовать для освещения или зарядки мобильных устройств при отсутствии централизованного электроснабжения.
Список литературы
http://detskiychas.ru/rasskazy/rasskaz_electrichestvo_detyam/
http://fb.ru/article/445554/traditsionnyie-i-alternativnyie-sposobyi-polucheniya-elektroenergii
https://novate.ru/blogs/210609/12285/
https://tehpribory.ru/glavnaia/oborudovanie/dinamo-mashina.html
https://vc.ru/future/30827-sem-proektov-kotorye-ispolzuyut-chelovecheskoe-telo-kak-istochnik-energii
https://ru.wikipedia.org/wiki
www.youtube.ru Собираем динамо машину с фонарём - Познавательное видео для детей/Developmental videos for children
Бахметьев А. А. Электронный конструктор «Знаток». Практические занятия по физике. 8, 9, 10, 11 классы. Электричество, электротехника, электроника. Книга 1.
Малов В.И. Куда идёт электричество?
Малов В.И. Что такое электричество?