IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспериментальный набор для демонстрации принципа работы электродвигателя постоянного тока
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.ВВЕДЕНИЕ
Проблема
Я выбрал эту тему потому, что изучая электродвигатель в девятом классе, столкнулся с такой проблемой. Демонстрационная модель электродвигателя, которая имеется в школе, не работала. Тогда я решил сам создать более простые и доступные модели, которые без проблем можно продемонстрировать на уроках физики. Рассмотрев возможные варианты, которые предлагаются в интернете, я остановился на трех моделях, которые доступны и просты. Эти модели и решил представить на конкурс.
Актуальность
Актуальность работы состоит в том, что эти модели можно демонстрировать и на уроках физики, и на внеклассных мероприятиях, так как они доступны. Учащиеся, ознакомившись с работой моделей, обязательно решать попробовать собрать модели дома, так как они просты, а эта работа будет формировать у ребят интерес к физике, и учить конструированию.
Цель
Создание модели электродвигателя для школьного музея интерактивных объектов.
Задачи
1. Изучить механизм действия магнитного поля на проводник с током;
2. Найти детали и предметы для создания моделей электродвигателя;
3. Собрать электродвигатели «Мельница»; «Крот» и «Сфера»;
4. Испробовать модели в работе и скорректировать конструкцию моделей;
5. Продемонстрировать работу моделей на уроках физики и в школьном интерактивном музее.
1.5 Объект
Явление действия магнитного поля на проводник с током ( сила Ампера).
1.6 Предмет
Модель электродвигателя.
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Сила Ампера
Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и магнитной индукции.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки. Если кисть левой руки расположить так, что четыре вытянутых пальца указывают направление тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входит в ладонь, то отогнутый на 900 большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника. Таким образом, сила Ампера перпендикулярна, как направлению тока, так и вектору магнитной индукции. (Рис.1.)
Рис.1.
Выясним, как действует магнитное поле на прямоугольную проволочную рамку, по которой протекает ток I.
Рис.2.
По правилу левой руки на левую часть рамки (2) (Рис. 2.) действует сила Ампера (синяя стрелка), направленная вверх. Так как ток по этой части рамки течет от нас (красная стрелка), а вектор магнитной индукции направлен влево (черная стрелка). На правую часть рамки (2) действует сила Ампера (синяя стрелка), направленная вниз. Так как ток по этой части рамки течет на нас (красная стрелка), а вектор магнитной индукции направлен так же влево (черная стрелка). На наиболее удаленную часть рамки сила Ампера не действует, так как угол между вектором индукции и током равен 1800, а синус этого угла равен 0. На ближнюю часть рамки сила Ампера тоже не действует, так как угол между вектором индукции и током равен 00, а синус этого угла тоже равен 0. В результате действия сил Ампера рамка начинает поворачиваться по часовой стрелке. По инерции рамка проскакивает свое вертикальное положение и занимает положение, когда левая и правая часть рамки меняются местами. При этом происходит в них смена направлений тока, так полукольца (3) поворачиваются вместе с рамкой и контактируют через щётки (4) с противоположными полюсами источника. Действие сил Ампера повторяется, и рамка продолжает вращаться в прежнем направлении. Такова принципиальная схема работы электродвигателя постоянного тока.
Двигатель «Крот»
Для создания двигателя «Крот» необходимо иметь: батарейку в форме бочонка, 6 штук сильных магнитов в форме диска, пружину, сделанную из зачищенной медной проволоки. (Рис.3.)
Рис.3.
Провод пружины зачищен, то есть, лишен изоляции, поэтому по пружине течет ток, создаваемый батарейкой при её контакте с витками пружины. По верхним проводникам течет ток от нас, а так как вектор индукции направлен вниз, то сила Ампера будет направлена влево. А по нижним проводникам течет ток на нас, а так как вектор индукции направлен вверх, то сила Ампера будет направлена опять влево. Следовательно, по третьему закону Ньютона на батарейку со стороны пружины будет действовать сила, направленная вправо. И батарейка начинает продвигаться вправо внутри пружины. (Рис.4.)
Рис.4.
Двигатель «Мельница»
Для создания двигателя «Мельница» необходимо иметь: два сильных магнита, имеющих форму диска, батарейку в форме бочонка, проволочную рамку. Модель электродвигателя «Мельница» более близка к стандартной модели электродвигателя. В ней рамка скользит по магниту, а магниты сами выступают в качестве контактов, так как непосредственно соединяются с батарейкой. Принцип работы электродвигателя остается тем же. На стороны проволочной рамки действуют силы Ампера, направленные в противоположные стороны, так как ток в сторонах рамки протекает в разные стороны и вектора магнитной индукции магнитов имеют разное направление с разных сторон батарейки. Силы Ампера поворачивают стороны рамки, и она начинает вращаться вокруг батарейки. (Рис.5.)
Рис.5.
Двигатель «Сфера»
Для создания двигателя «Сфера» необходимо: сильный магнит в форме диска, батарейка, медная рамка из проволоки (ротор) и две скрепки. В модели этого электродвигателя две скрепки прикреплены к разным полюсам батарейки, которые исполняют роль контактов. Медная рамка из проволоки кладется на скрепки. Магнит помещается на батарейку под рамку. Так как по рамке начинает протекать ток, а сама рамка находится в сильном магнитном поле, то возникает сила Ампера, действующая на нижнюю часть рамки. На верхнюю часть проволочной рамки сила Ампера действует вниз и не влияет на вращение рамки. Это происходит потому, что вектор магнитной индукции уже поворачивается от нас, в силу того, что поле неодимового магнита сильное и распространяется на небольшие расстояния. Повернувшись, верхняя часть рамки оказывается внизу, и на неё начинает действовать сила Ампера в направлении вращения рамки. Таким образом, рамка вращается. (Рис.6.)
Рис.6.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты
В ходе работы над проектом получены следующие результаты:
1. Изучен механизм действия магнитного поля на проводник с током;
2. Собраны модели электродвигателей «Крот», «Мельница» и «Сфера»;
3. Опробованы модели электродвигателей в работе и продемонстрированы одноклассникам.
Выводы
1. Данные моторчики очень просты, что является несомненным плюсом, ведь если устройство выйдет из строя, мы всегда можем сделать новое.
2. Благодаря нашим наглядным опытам, ребята смогут лучше понять принцип работы электродвигателя.
3. Школьный музей интерактивных объектов пополнится еще одной моделью.
ЛИТЕРАТУРА
В. А. Касьянов, Физика. 11кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений. – 2-е издание, стереотип.- М.: Дрофа, 2017.
А.В. Перышкин, Физика, 9 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. – 2-е издание, стереотип.- М.: Дрофа, 2016.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Ампера
https://ru.wikipedia.org/wiki/Правило_буравчика
https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1104251
5. ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Двигатель «Крот».
Приложение. Двигатель «Мельница»
Приложение 3. Двигатель «Сфера»