IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА СВОИМИ РУКАМИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Купянский Д.О. 1

---

1МОУ Лицей №10 имени Д.И.Менделеева

Крайнова З.Б. 1

---

1МОУ Лицей №10 имени Д.И.Менделеева

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Жизнь и быт современного человека тесно связана с электричеством. Электричество – это очень полезная форма энергии, она легко превращается в свет, звук, тепло, передается по проводам. Любой интересующийся наукой школьник хочет почувствовать себя учёным, окунуться в мир науки и узнать подробнее о том, благодаря чему заряжается его смартфон и включается свет.

Тема исследования актуальна, потому что изучение процессов выработки электричества и дальнейшей его передачи на различные приёмники - очень важно и востребовано, ученые активно развивают безопасные методы получения электроэнергии для экономии исчерпаемых природных богатств, таких как нефть, газ, уголь. Новизна исследования отражена в том, что данный научный проект позволяет взглянуть на знакомые физические явления с актуальной точки зрения.

Люди понимают необходимость экономии природных ресурсов, поэтому возрастает потребность внедрения в быт устройств, позволяющих получать альтернативную энергию. Но почему-то не очень распространён такой способ получения электроэнергии, как использование физической энергии человека в качестве источника для генератора тока – в этом заключена проблемность работы.

Обзор использованной литературы

Найти определение электрического тока не составило труда благодаря энциклопедии [3], а вот для того, что бы лучше понять это явление, понадобилось посмотреть познавательные видеоролики на электронном ресурсе YouTube. С удовольствием посмотрел сборник познавательных мультфильмов серии «Фиксики об электричестве» [15], где доступным языком рассказано про электричество и про схемы электрических приборов.

Изучить принцип работы генератора постоянного тока мне помогли книги авторов К.А. Круг [4] и А.Ю. Кузнецова[5], а из книги Аполлонского С.М. [1] получена информация по сборке электрической цепи.

Благодаря материалам научной статьи автора Макарова [8], в мой лексикон вошла необычная формулировка - «бестопливные» генераторы.

Очень познавательной оказалась книга Аполлонского, в ней я нашел всю необходимую информацию, которая позволила мне собрать электрическую цепь всей моей модели генератора.

Материалы свободной энциклопедии Википедия [14] оказались для меня настоящей находкой, на этом сайте я познакомился с биографией первых инженеров-конструкторов генератора постоянного тока, узнал, как выглядели первые электрические машины, прошлых веков. Изображения этих машин вдохновляют и заинтересовывают. На этом же ресурсе было легко найти любое незнакомое или не очень понятное слово. На сайте www.GUFO.me [11], [12] доступны к чтению: научно-технический словарь и физический энциклопедический словарь.

Мир, в котором мы живем - постоянно развивается, узнать про альтернативные способы получения электроэнергии мне помогла статья автора В.М. Коротун [9].

Цель, задачи проекта, гипотеза

Цель моего исследования: собрать своими руками демонстрационную модель генератора постоянного тока из деталей старой техники и проверить ее работоспособность в электрической цепи. Без использования батареек и без загрязнения окружающей среды.

Для достижения целисформулированы задачи проекта:

изучить понятие электрического тока и электроэнергии;

изучить принцип действия генератора постоянного тока;

изготовить действующую модель генератора постоянного тока (из деталей техники, вышедшей из строя) для визуализации преобразования механической энергии в электрическую, рассмотреть преимущества такой модели;

продемонстрировать работоспособность модели со светодиодными лампочками, вентилятором и динамиком, продумать применение модели;

представить результаты исследования одноклассникам через выступление на классном часе и внеурочных занятиях;

сформулировать новые идеи для продолжения работы над проектом в части возможности дальнейшей модернизации модели.

Объект исследования – электрический ток. Предмет исследования – демонстрационная модель генератора постоянного тока, изготовленная из деталей техники, вышедшей из строя, превращение энергии от руки человека в электрическую, световую и звуковую.

В основу исследования положена гипотеза:если изучить устройство генератора тока, то даже четвероклассник сможет из деталей старой техники собрать модель генератора постоянного тока со светодиодными лампочками, звуковым динамиком, вентилятором и USB-разъёмом.

Были использованы следующие методы исследования:

метод наблюдения за работой с электрическим током специалиста-электрика во время ремонта сломанной техники;

поиск и изучение научной литературы по теме проекта;

моделирование, конструирование, эксперимент, описание.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

Моё первое научное знакомство с электричеством

Мой дедушка занимается ремонтом неисправной техники, и даже когда надежды на починку нет, он всё равно старается предпринять всё возможное, что бы эта техника принесла пользу. Очень часто из двух неисправных приборов получается один рабочий. И я с удовольствием наблюдаю за прекрасным «возрождением» техники. Мне стало интересно, благодаря чему работают электроприборы? Конечно, про электрический ток в розетках я давно знал. Дедушка познакомил меня с током несколько лет назад, когда в процессе познания окружающего мира в мои руки случайно попались два длинных гвоздя. С тех пор я точно знаю, что в розетку ни в коем случае нельзя засунуть сразу оба гвоздя, иначе беды не миновать. Но мне хотелось узнать подробнее, откуда берётся электрический ток, каким образом можно получить его в домашних условиях и как применить? Из энциклопедии [3, стр. 515], я узнал: «электрический ток – это направленное (упорядоченное) движение частиц — носителей электрического заряда» [приложение 1]. А смысл электричества состоит в том, что движение частиц происходит в цепи от источника тока к потребителю.

Ещё в V веке до н.э. учёный Фалес Милетский упоминал в своих трудах первые электрические явления. Люди подметили, что если кусочек янтаря потереть мехом или шерстью, то он начнёт притягивать к себе пушинки. Это явление Древние Греки применяли для удаления пыли с одежды. С греческого слово «янтарь» - это электрон [приложение 2].

Способы получения электрического тока

Человечество не стояло на месте и учёные разных времён открывали различные способы получения электричества. Научный прогресс знаком с такими источниками энергии, как тепловые электростанции, гидроэлектростанции, атомные электростанции. Но эти способы сопровождаются образованием загрязнителей окружающей среды: выброс дыма в атмосферу, сброс тёплой воды в природные водоемы, радиационные ядерные отходы и т.д. и расходуют природные богатства [приложение 3].

Сегодня актуальной задачей является изобретение бестопливных генераторов тока, позволяющих получать энергию с использованием возобновляемых ресурсов [8, стр. 194]. Многие из них уже давно помогают людям, это солнечные батареи, ветрогенераторы, и т.д. [9], [приложение 4].

История создания генератора постоянного тока

Для помощи человеку и повышения производительной силы были созданы электрические машины, в которых происходит преобразование механической работы в электрическую энергию – генераторы [4, стр. 413]. Их раньше называли «динамо-машины». Первый такой генератор был изобретён в 1827 году венгерским физиком Аньошем Йедликом. Он сформулировал концепцию динамо-машины, но не запатентовал её. Через 6 лет эту идею озвучил немецкий изобретатель Вернер фон Сименс [приложение 5]. Основатель компании Siemens к 1867 году создал совершенную конструкцию генератора постоянного тока. Его динамо-машина произвела настоящую революцию в горном деле. Благодаря ей появился электроотбойный молоток, шахтный электровентилятор, электрическая рудничная дорога [14].

Сейчас термин «динамо-машина» употребляется в основном на школьных уроках физики [7], а так же для маленького велосипедного генератора, который питает велосипедную фару, и в обозначении генератора, который встроен в самозарядный фонарик [13]. Эти изделия способны автономно работать в полевых условиях, без питания от батареек и без подключения к электрической сети [приложение 6].

Устройство генератора постоянного тока

Изучив литературу [5, стр. 3], я понял, что основа генератора состоит из медной катушки, вращающейся в магнитном поле [приложения 7, 8 и 12]. Если добавить приводной механизм и провода, то в результате будет вырабатываться электрический ток, который побежит по проводам к приёмнику тока [10]. Это будет электрическая цепь, которую можно замыкать (включать) и размыкать (выключать). Электроэнергию можно передавать по проводам, а так же превращать в нужные нам виды энергии: тепловую, световую [6, стр. 11].

В книге [1, стр. 16] я прочитал, что электрическая цепь состоит из устройств, образующих путь для электрического тока. Цепь включает в себя; источник электрической энергии, приёмник электрической энергии и соединительные линии (провода), по которым передается электричество [приложение 9]. Из книги [2, стр. 10] я узнал, что поскольку ток в запланированном мной генераторе не будет менять своё направление и значение, то он будет называться «постоянным».

Я очень вдохновился и задумал провести эксперимент по созданию модели генератора постоянного тока в домашних условиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА

Эксперимент по созданию модели генератора постоянного тока и проверка его работоспособности

Для конструирования мне понадобились [приложения 10, 11 и 13]:

дощечки, саморезы;

электромоторчик¹от старого принтера и уголок для его крепления;

колесико от принтера (для редуктора) и винт для рукоятки, провода;

приёмники тока: светодиодные лампочки (красная и зелёная), сирена с динамиком, вентилятор от детской игрушки с маленьким электромотором и шнуром USB, разъём USB на плате от старого принтера, и игрушечный USB-светильник;

диодный мост и конденсатор из блока питания от компьютера, электронное устройство для стабилизации напряжения на уровне 5 вольт (эти элементы не были запланированы, но добавились в процессе конструирования), выключатель от старого удлинителя;

пассатижи, отвёртка, паяльник.

Для источника электрической энергии я взял электромотор со старого принтера. Из энциклопедий я уже знал, что для того, что бы этот электромотор стал выполнять функции генератора тока, нужно сделать так, что бы он был способен превращать механическую энергию в электрическую. Для этого я присоединил зубчатое колёсико от старого принтера к зубчатому маленькому колёсику моторчика. Таким образом, они превратились в редуктор². Крутить колесико пальцами было не очень удобно, поэтому я к нему прикрутил длинный винт, который служит теперь рукояткой. Получается, что электромотор готов вырабатывать ток [приложение 14]. Что бы продемонстрировать работоспособность генератора, нужно присоединить провода и подключить приёмник энергии. Из мультика «Фиксики» [15] я знаю, что провода нельзя соединить напрямую без какого-то приёмника, а то они перегреются и могут перегореть. Я припаял один провод к одному выводу красного светодиода, другой провод ко второму выводу светодиода [рис.1 из приложения 15]. Получилось, что цепь замкнулась и при вращении рукоятки, диод светился красным светом [рис.1 из приложения 16], это означает, что электрическая энергия преобразовалась в свет [11], [12].Чтобы не держать всё это в руках, я смастерил из подготовленных дощечек основу, на которую закрепил свой генератор и диод [рис.2 и 3 из приложения 15].

Вывод: вращая рукоятку модели генератора тока, энергия руки и мышц передается через систему зубчатых колёс внутрь электромотора-генератора (там, в магнитном поле вращается медная катушка). В генераторе происходят процессы электромагнитного взаимодействия, благодаря которым вырабатывается электрическая энергия – электрический ток. Ток передаётся по проводам к светодиоду и внутри него преобразуется в световую энергию, заставляя светодиод светиться.

Подключение двух светодиодов и

предложения по применению модели

Оказалось, что если крутить рукоятку в обратном направлении, то диод почему-то не светится. Пришлось снова заглянуть в книги. Я узнал, что существует такое понятие, как «полярность». Это как в батарейках, если её неправильно поставить, то игрушка работать не будет. Второй, зелёный диод я решил припаять с обратной полярностью, специально перевернув выводы диода для того, что бы в одну сторону вращения рукоятки – светился красный диод, а в другую сторону вращения – зелёный [рис.2 из приложения 16].

Известно, что подобные генераторы используются для питания фары велосипеда, но я заметил, что это совсем не распространено, что в основном люди покупают фонарики на батарейках, но выброшенные батарейки загрязняют природу. Очень хотелось бы, что бы спрос на генераторы без батареек повышался.

Применение: считаю, что необходимо внедрять такие устройства в спортивных залах. Эллиптический тренажер и велосипед включаются в розетку для работы экранов, отображающих дополнительные функции этих тренажеров, но ведь с генератором можно было бы обойтись без электрической розетки, а только благодаря механическим движениям человека. То есть, крутишь педали – вырабатывается ток и питает экран. Ещё генератор со светодиодами можно использовать в качестве аварийного осветительного прибора в походе и даже дома.

Изначально только это и было задумано для проекта, но я увлёкся, долго экспериментировал, подключая разные диоды и устройства, и решил доработать модель, подключив их все для демонстрации возможностей.

Подключение сирены (динамика)

Руководствуясь полученными знаниями, я припаял в цепь динамик сирены и проверил, что она работает [рис.3 из приложения 17]. Поскольку я нашел дома только очень шумную старую сирену, то для того, что бы звук не раздражал, я доработал схему и присоединил в неё выключатель [рис.1 и 2 из приложения 17]. Сирена тоже имеет полярность, но мне захотелось, что бы сирена тоже работала при вращении рукоятки генератора в обе стороны. Из энциклопедии электрика я узнал, что есть «диодный мост», который способен эту полярность исправлять внутри себя. Я нашел в интернете, как он выглядит и вытащил его из старого блока питания компьютера и припаял в цепь [рис.4 и 5 из приложения 17]. Опытным путем я пришел к тому, что с диодным мостом сирена будет работать при вращении рукоятки в любую сторону.

Технические процессы, которые происходят внутри диодного моста, я пока изучить не смог, так как не хватает знаний физики, но я убедился, что свою функцию он выполняет отлично.

В книге мне случайно попалась информация про «конденсатор». Оказывается, это интересная деталь в технике, способная накапливать электроэнергию и потом её отдавать. Как раз это удалось проверить с помощью выключателя. В цепи выключатель расположился между генератором и сиреной. При разомкнутой цепи я некоторое время крутил рукоятку генератора, ток выработался и накопился в конденсаторе, который припаян к диодному мосту [рис.4 из приложения 17]. Затем я перестал крутить ручку генератора и замкнул цепь, включив кнопку. И оказалось, что сирена несколько секунд звучала, хотя я не совершал никаких действий. То есть, конденсатор успешно справился.

Применение: такой генератор с сиреной можно использовать, например, в лесу. Можно подавать звуковые сигналы, если человек потерялся или хочет отпугнуть зверя.

Подключение разъёма USB и вентилятора

Далее мне пришла мысль, что мою модель можно доработать и заряжать с её помощью смартфон. Можно крутить ручку генератора (заниматься зарядкой), а твой смартфон бесплатно и без вреда для окружающей среды будет заряжаться. Я подготовил разъём USB со схемой (из принтера) и припаял его [рис.1 из приложения 18]. Но поскольку я обратил внимание, что у моего смартфона большой зарядный блок, а у найденной мной схемы размер меньше, то я предположил, что правильнее не рисковать со смартфоном и проверить работу сначала на игрушках. В этот USB-разъём я вставил USB-светильник, покрутил рукоятку генератора, и светильник заработал [рис.2 из приложения 18]. Затем вместо светильника я вставил шнур от игрушечного вентилятора [рис.3 из приложения 18], оказалось, что вентилятор тоже работает. Благодаря диодному мосту, который исправляет полярность, лопасти вентилятора крутятся в одну и ту же сторону независимо от того, в какую сторону я кручу рукоятку генератора.

Применение: такое устройство с вентилятором предлагаю внедрять повсеместно в летних кафе для туристических групп во время походов. На каждый стол в летних кафе можно разместить портативный вентилятор, который будет работать благодаря вращению рукоятки генератора рукой человека. Это позволит отказаться от вентиляторов, работающих от электрической сети. Особенно это удобно в оздоровительных кемпингах, распложенных в горах или в природоохранных зонах, где запрещено загрязнение окружающей среды.

Мой дедушка – инженер военной авиации, и хорошо разбирается в технике. Он осмотрел мою модель, проверил спаянные провода и подтвердил, что такая модель будет способна заряжать мобильный телефон. Мы даже проверили это на стареньком смартфоне. Подключив смартфон на зарядку в разъём USB, я обнаружил, что для зарядки на один процент потребовалось очень долго крутить рукоятку, а это не очень удобно. Я сделал вывод: необходимо в будущем доработать модель и поставить большой редуктор, что бы облегчить себе работу. А затем разработать механизм, что бы механическую энергию подавать на генератор не с помощью руки, а с помощью ног, например, крутить педали. Польза от такой спортивной зарядки будет неоценима, ведь любимый смартфон будет заряжаться, а я в этот момент буду укреплять своё здоровье и сокращать использование электричества из розеток, тем самым экономить природные ресурсы.

Светодиоды хорошо переносят то, что я кручу рукоятку генератора то быстро, то медленно, они просто светятся то ярко, то тускло. А вот телефон от этого может сломаться. Что бы этого не произошло, в модели припаян контроллер [13]. Эта деталь предотвращает передачу критического заряда, способного навредить при зарядке смартфона.

Моя модель генератора постоянного тока работает, поставленные задачи выполнены, а гипотеза подтверждена! Оказалось, что если благодаря книгам и энциклопедиям изучить устройство генератора тока, то даже четвероклассник сможет из деталей старой техники собрать модель генератора постоянного тока и продемонстрировать его работоспособность, подключив различные приёмники энергии (светодиодные лампочки, звуковой динамик, вентилятор, USB-разъём и смартфон).

Исследование успешно завершено [приложение 19], а в моих планах усовершенствование модели и использование в быту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

У меня получилось сконструировать модель генератора постоянного тока из деталей старой техники, проверить его работоспособность в цепи с различными приёмниками электроэнергии тем самым подтвердить гипотезу. А это означает, что результат соответствует замыслу. Всё это благодаря тому, что я долго изучал учебники по этой теме.

Выводы из исследования:

из исследовательской части проектной работы:

Благодаря электричеству человечество встало на новую ступень развития. Особенно ценятся альтернативные способы получения энергии, которые экономят исчерпаемые природные ресурсы.

из практической части проектной работы:

С помощью собранной мной модели генератора постоянного тока можно с легкостью продемонстрировать процессы превращения механической энергии в электрическую энергию, а электрической энергии в световую и звуковую. Без батареек и без подключения к розеткам. А так же обратить внимание окружающих на необходимость более активного внедрения в быт таких устройств.

Практическая значимость исследования заключается в том, что демонстрация результатов проекта на школьных внеурочных уроках разбудит интерес моих любознательных одноклассников к более глубокому изучению технических и естественных наук, к развитию прикладных исследований и познакомит их с навыками конструирования. Уверен, что познакомившись с моей исследовательской работой, у многих одноклассников обязательно возникнет желание повторить сборку модели генератора тока у себя дома из деталей старой техники и использовать его в качестве аварийного источника освещения или походного вентилятора. А так же в будущем подтолкнет их к усовершенствованию этой модели, чтобы заряжать свои смартфоны не от розетки, а в процессе занятий спортом дома.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

Печатные издания:

Аполлонский С.М. // Электротехника: учебник – Москва: КНОРУС, 2018. – 292 с.

Борисов Ю.М. // Электротехника: учебник / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. – 3 изд., стереотипное. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 592 с.: ил.

Ковалёв Н. Ф., Миллер М. А. Электрический ток // Гл. ред. А.М.Прохоров. — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1998. — Т. 5. — 760 с.

Круг К.А. // Основы электротехники. Том 1. Москва: ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, 1946. – 473 с.

Кузнецов А.Ю. // Исследование генератора постоянного тока. / Новосиб. гос. аграр. ун–т, Инженер. ин–т; сост.: А.Ю. Кузнецов, П.В. Зонов, Д.С. Болотов. – Новосибирск: ИЦ НГАУ "Золотой колос", 2017. – 23с.

Кузовкин В.А. // Электротехника и электроника: учебник / В.А.Кузовкин, В.В.Филатов. – М.: Издательство Юрайт, 2016. – 431 с.

Лихачев В.Л. // Электротехника. Практическое пособие. Использование машин постоянного тока – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010. – 608 с.: ил

Макаров Д.В. // научная статья – К вопросу альтернативных источников электрической энергии / Вестник современных исследований № 12.5 (27), Омск, 2018. – 301 с.

Электронные источники сети интернет:

www.asutpp.ru // Коротун В.М. «Генератор свободной энергии: схемы, инструкции, описание» // URL: https://www.asutpp.ru/generator-svobodnoj-energii.html (дата обращения 10.09.2019).

www.asutpp.ru // Информационный интернет-сайт по основам электротехники «Заметки Электрика» // URL: https://www.asutpp.ru/generator-postoyannogo-toka.html (дата обращения 04.10.2019).

www.GUFO.me // Научно-технический энциклопедический словарь // URL: https://gufo.me/dict/scientific (дата обращения 15.09.2019).

www.GUFO.me // Физический энциклопедический словарь // URL: https://gufo.me/dict/physics (дата обращения 21.09.2019).

www.tehpribory.ru Тех.Приборы.ру // Информационно - познавательный сайт. Инструмент и приборы, техника для дома и другие устройства // URL: https://tehpribory.ru/glavnaia/oborudovanie/dinamo-mashina.html (дата обращения 17.10.2019).

ru.wikipedia.org/ Википедия – свободная энциклопедия Wikimedia Foundation, Inc. 2019.

YouTube // мультфильм «Фиксики» – все серии про электричество в одном сборнике // URL: https://www.youtube.com/watch?v=2O8hmNKeg6U

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Приложение 19: