Исследовательский проект "Электромагнитная индукция в быту"

Управление образования Администрации г. Екатеринбурга

МБОУ ДОД Городской Дворец творчества детей и молодежи

 «Одаренность и технологии»

Открытая городская научно-исследовательская конференция

«Зажги свою звезду»

2012-2013 учебный год

Направление: физика и химия

Электромагнитная индукция в быту

Автор: Сопова Екатерина Евгеньевна,

 МБОУ СОШ №200, 9 класс

Научный руководитель: Негатина Вера Сергеевна,

 МБОУ СОШ №200,

учитель физики высшей категории

Екатеринбург,  2013

Содержание

Введение        3

Глава 1. Электромагнитная индукция

  1.1. Понятие электромагнитная индукция        4

  1.2. Открытие электромагнитной индукции        5

  1.3. Электромагнитная индукция в быту        6

    1.3.1. Плиты на основе явления электромагнитной индукции        7

    1.3.2. Зарядные устройства на основе явления электромагнитной индукции        8

               1.3.3. Идея из прошлого для утюга будущего        9

Глава 2. Практическая часть

  2.1. Изготовление модели        10

  2.2. Сравнительный анализ продукции с использованием электромагнитной индукции и без неё        15

Заключение        18

Список источников        19

Приложение        20

Введение

В настоящее время все больше появляется техники с использованием явления электромагнитной индукции: плиты, зарядные устройства, электросчетчики, кофеварки, водонагреватели, тостеры, миксеры, утюги, настольные лампы и приборы для приготовления пищи и т.д. Чем же они отличаются от «добрых» старых электрических  плит, проводных зарядных устройств? В чем их плюсы? А может они, тоже имеют свои недостатки? Современному потребителю все сложнее сделать выбор между техникой с использованием явления электромагнитной индукции и обычной. Возникает противоречие между желанием покупателя приобрести современный, надежный, энергоэкономичный продукт и отсутствием у него необходимой информации для совершения осознанного выбора конкретной модели из огромного количества аналогов. В своей работе я хочу помочь  потребителю решить эту проблему.

Предположим, что для получения одинакового результата, можно пользоваться разными устройствами «старыми» и «новыми» - все устройства дадут быстрый и качественный результат. В этом состоит гипотеза данной работы.

Цель работы: выполнить сравнительную характеристику индукционных и неиндукционных электроприборов и разработать собственные модели индукционных устройств.

На основе поставленной цели были поставлены и сформулированы задачи:

1. Изучить информацию по этой теме.
2. Выяснить достоинства и недостатки индукционных устройств, которые в настоящее время наиболее распространены.
3. Создать действующие модели устройств, в которых используется явление  электромагнитной индукции.

Объект исследования – индукционные бытовые приборы.

Предмет исследования – достоинства и недостатки бытовых приборов, принцип действия которых основан на  применении явления электромагнитной индукции.

Основными источниками по теме стали: учебная литература, интернет ресурсы. Методы работы:  теоретический и практический.

Эта работа состоит из введения, 2 глав и заключения.

Глава 1. Электромагнитная индукция

1. Понятие электромагнитная индукция

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

В 1831 г. Фарадей (Приложение 1) обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Этот ток назвали индукционным током.

Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки (Приложение 2), а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку (Приложение 3).[1]

Открытие электромагнитной индукции

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867).

Фарадей, будучи еще молодым ученым, так же как и Эрстед, думал, что все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил электричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к мысли, что если “электричество создает магнетизм”, то и наоборот, “магнетизм должен создавать электричество”. И вот еще в 1823 г. он записал в своем дневнике: “Обратить магнетизм в электричество”. В течение восьми лет Фарадей работал над решением поставленной задачи. Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее - открыл явление электромагнитной индукции.

Во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается гальванометром, который присоединен ко второй катушке.

Затем Фарадей установил также наличие индукционного тока в катушке, когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал электрический ток.

Наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили или же удаляли из нее магнит. [2]

Электромагнитная индукция в быту

На одной из лекций Майкла Фарадея о новом явлении присутствовал будущий премьер-министр Англии Уильям Гладстон, который спросил:

— Скажите, сэр, какую практическую пользу может принести ваше открытие?

— Этого я и сам еще не знаю, — ответил Фарадей. — Но когда-нибудь вы сможете обложить его налогом.

Появление трансформаторов, электрических машин и прочих устройств, в которых используется электромагнитная индукция, не заставило долго себя ждать.

Что же касается применения индукции в быту, то лишь в 1906 г. англичанин Артур Берри подал заявку GB190612333 на «аппарат для электрического нагрева при приготовлении пищи и других целей».

А в 1938 г., спустя более ста лет после Фарадея, американец Гарри Уотерс получил патент № 2133494 (Приложение 4) на «электробытовые приборы с беспроводным питанием», в число которых он включил кофеварки, водонагреватели, тостеры, миксеры, утюги, настольные лампы и приборы для приготовления пищи. [3]

1.3.1. Плиты на основе явления электромагнитной индукции

Теплопередача в индукционной плите происходит при помощи электромагнитных волн. Внутри плиты находится мелкая катушка – проводник высококачественного электрического тока. Электромагнитные волны беспрепятственно проходят сквозь стеклокерамическую поверхность и продолжают вихревые циркулирующие токи в нижнем слое дна металлической посуды. Они-то и разогревают дно посуды, а вместе с ним – и пищу. При этом через стеклокерамику не происходит никакой теплопередачи. Если по завершению приготовления пищи поверхность и остается слегка теплой, то только по тому, что она нагрелась от дна кастрюли, а не наоборот.

Индукционная плита имеет целый ряд неоспоримых преимуществ: полный контроль процесса приготовления пищи, быстрый и равномерный нагрев, фантастическая экономия времени и энергии, абсолютная безопасность. Единственное правило, которое должно соблюдаться, - это использование посуды с металлическим дном (нержавеющая сталь), которое обладает четко выраженными ферромагнитными свойствами. В противном случае «чуда» просто не произойдет. А для того, чтобы не прогадать с посудой, лучше покупать ее у той же компании, которая производит и сами индукционные плиты.

Особенное внимание хочется уделить вопросу безопасности индукционных плит. О том, что возможность ожогов этот инновационный «представитель» кухонной техники сводит практически к нулю. С магнитными волнами не стоит беспокоиться! Дело в том, что частота магнитного поля, используемая при индукционном нагреве, находится в этом же диапазоне, что и частота ультразвуковых волн, которые используют летучие мыши и дельфины для эхолокации. А это в 100 000 раз ниже частоты волн, используемых, к примеру, в микроволновых печах.

Кроме того, радует тот факт, что процесса «очистка поверхности плиты от накипи» для индукционных плит просто не существует. Легкость в приготовлении пищи дополняется легкостью ухода за плитой: достаточно просто протереть ее поверхность влажной салфеткой.

Вывод: вредное воздействие индукционных плит абсолютно исключено, а с их преимуществами трудно спорить! [4]

1.3.2. Зарядные устройства на основе явления электромагнитной индукции

На данный момент идёт упорное развитие беспроводных зарядных устройств, и отказ от любого рода проводных. Скоро мы будем заряжать устройство любого рода, без проводов, в домашних условиях. Некоторые разработчики уже нашли решения для подключения практически всей техники без помощи проводов. И нам остаётся просто ждать пока эти технологий пойдут на рынки всех устройств. Так, например, беспроводные зарядки для мобильных телефонов и планшетов уже давно существуют, но данный сегмент рынка стал развиваться только в последнее время.

Метод электромагнитной индукции используется в аксессуарах для большинства последних гаджетов. Электричество поступает на устройство благодаря магнитному полю, создаваемому специальным передатчиком. При этом принимающая сторона (батарея смартфона) должна находится на очень близком расстоянии, что не позволяет полностью насладится свободой. Еще из минусов стоит отнести малую передаваемую энергию. Основная часть затраченных ресурсов тратится в пустую, тогда как до устройства доходит лишь небольшая часть.

Одной из основных причин малой распространенности беспроводных зарядных устройств является отсутствие единого стандарта. Для каждого отдельного устройства должна выпускаться отдельная зарядка, поддерживающая его частоту. Это не позволяет крупным производителям аксессуаров заняться созданием универсальных беспроводных зарядных устройств. Только в последнее время Wireless Power Consortium принял ряд промышленных норм для беспроводных зарядных устройств, получивший название Qi (произносится Чи). На данный момент эти стандарты поддерживают 84 производителя, но до массового выпуска данной продукции еще далеко.

 Очевидно, что беспроводная передача энергии — очень перспективное направление. И хотя на данный момент эта технология еще не настолько популярна в мире как, например, Wi-Fi мы надеемся, что в скором времени все изменится. [5]

1.3.3. Идея из прошлого для утюга будущего

В начале прошлого века горничные в богатых домах, а у бедняков - сами хозяйки, для разглаживания замятин на белье или одежде пользовались тяжелым чугунным утюгом, который нужно было нагревать на плите или каминной решетке. Потом пришло время электрической бытовой техники, и об этих опасных девайсах благополучно забыли. Однако ненадолго. Ведь идея создания концептуального утюга Induction Iron, спроектированного дизайнером по имени Тереза Глимскар, родом как раз из прошлого.

Концепт, по задумке автора, должен работать с помощью электромагнитной индукции. Ставим девайс на «плиту» (Приложение 5), ждем положенное время, - и получаем нагретый утюг, которым можно спокойно гладить вещи.

Любопытно, как долго сохраняется тепло в "подошве" утюга, и до какой температуры она нагревается, однако ответ на эти вопросы можно будет получить не раньше, чем после того, как концепт пройдет тесты и проверки на прочность.

Таким образом, явление электромагнитной индукции в разных бытовых областях имеет разное развитие: плиты, основанные на явление электромагнитной индукции можно назвать лидерами в области приготовления, они безопасны, время приготовления пищи очень мало, но сами плиты стоят дорого и к ним надо приобретать дополнительную посуду, так как она должна быть специальной; тогда как зарядные устройства на основе явления электромагнитной индукции пока уступают своим проводным «собратьям», но ведутся очень активные поиски улучшения их эффективности. Так же данное явление пытаются начать использовать в других бытовых изделиях, уже имеются прототипы беспроводных утюгов, которые находятся на стадии апробации. С такими разработками можно предположить, что явление электромагнитной индукции переживает второе «рождение» и в будущем имеет большие перспективы. [6]

2.2. Сравнительный анализ продукции с использованием электромагнитной индукции и без неё

* потребляемая мощность 8кВт в час х 5 часов в день х 1,5 руб/кВт*час. х 31день            ≈ 1600руб. (только для домов с электрическими плитами), в домах с газовым плитами стоимость возрастает в 2 раза – 3200руб.

** потребляемая мощность 8кВт в час х 3 часов в день х 1,5 руб/кВт*час. х 31день                    ≈ 1100руб. (только для домов с электрическими плитами), в домах с газовым плитами стоимость возрастает в 2 раза – 2200руб.

Зарядные устройства – мой совет покупателю, на данный момент лучше пользоваться проводными зарядными устройствами, т.к. плюсов использования пока больше: их низкая стоимость, одинаковая зарядка для нескольких устройств (телефон, планшет, фотоаппарат, видеокамеры, плеера и др.), быстрота заряда.

Плиты. Если Вы проживаете в домах, оборудованных электрическими плитами, и имеете льготный тариф на электроэнергию лучше выбрать индукционную плиту, т.к. при почти равных мощностях потребления время приготовления на индукционной плите гораздо меньше, этим снижается себестоимость приготовления. Также индукционные плиты имеют высокую степень безопасности использования. Минусами индукционных плит является их высокая стоимость, обязательное приобретение специальной посуды и их ненадежность (на данный момент). Поэтому если Вы неограниченны в денежных средствах Вам нужно выбрать проверенного производителя и уточнить условия гарантии.

Если же Вы проживаете в домах, оборудованных газовыми плитами, Вам стоит обратить внимание на газовые плиты, т.к. при очень низкой стоимости энергоресурса и невысокой стоимости очень хорошей газовой плиты с высокой степенью защиты, время приготовления будет не сильно отличаться от индукционной плиты.

Заключение

Явление электромагнитной индукции в разных бытовых областях имеет разное развитие: плиты, основанные на явление электромагнитной индукции можно назвать лидерами в области приготовления, они безопасны, время приготовления пищи очень мало, но сами плиты стоят дорого и к ним надо приобретать дополнительную посуду, так как она должна быть специальной; тогда как зарядные устройства на основе явления электромагнитной индукции пока уступают своим проводным «собратьям», но ведутся очень активные поиски улучшения их эффективности. Так же данное явление пытаются начать использовать в других бытовых изделиях, уже имеются прототипы беспроводных утюгов, которые находятся на стадии апробации. С такими разработками можно предположить, что явление электромагнитной индукции переживает второе «рождение» и в будущем имеет большие перспективы.

В практической части были изготовлены две работающие модели, демонстрирующие явление электромагнитной индукции. Практическим применением данных моделей может быть только демонстрация данного явления на уроках физики. Данная тема может быть углублена и расширена при получении новых знаний в рамках изучения данного явления в 11 классе.

Список источников

1. http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=218&Itemid=72
2. http://www.electrinpho.ru/view_stati.php?id=20
3. http://irvispress.ru/catalog/krupnaja-bytovaja-tehnika/vstraivaemye-varochnye-paneli/chudesa-kholodnojj-plity/
4. http://fplus71.ru/dom-i-bit/indukciya-kuxonnoe-chudo.html
5. http://mobileimho.ru/android4u/2012/05/23/besprovodnaya-zaryadka-kak-ona-rabotaet.html
6. http://www.novate.ru/blogs/260709/12570/
7. http://www.eens.ru/tarify/
8. http://interbt96.ru/100000012.html
9. http://e96.ru/catalog/kitchen_appliance
10. http://www.mvideo.ru/price/lvl_135/class_112