Проектная работа по физике "Униполярные двигатели"

Российская Федерация

Ханты-Мансийский автономный округ – Югра

город Покачи

МОАУ СОШ №2

Униполярные электродвигатели

Автор: Барбарова Анастасия

Ученица 11 "А" класса

Руководитель: Акулова Ирина              

Григорьевна

Учитель физики

г. Покачи

Оглавление.

1.Введение

1.1.Униполярный электродвигатель                                          стр.2

1.2.История создания униполярного электродвигателя          стр.2

1.3.Первые попытки создания электродвигателя                     стр.3

1.4. Использование                                                                      стр.4

1.5.Цели и задачи                                                                         стр.4

2.Основная часть

2.1.Конструкция униполярного электродвигателя                   стр.6

2.2.Методика проведения экспериментов                             стр.6

2.3.Экспкримент №1                                                            стр.7

2.4.Эксперимент №2                                                            стр.7

2.5.Эксперимент №3                                                                    стр.7

2.6.Эксперимент №4                                                            стр.8        

2.7.Эксперимент №5                                                              стр.8

3.Заключение, выводы                                                            стр.9

4.Список литературы                                                            стр.10

5.Приложения                                                                    стр.11

1.Введение.

1.1.Униполярный электродвигатель.

Вокруг нас существует тысячи источников магнитного поля. Это и постоянные магниты, которые удерживают дверцы практически всех шкафчиков и даже холодильника, и всевозможные магнитные защелки на сумочках. Это и электромагниты, установленные на электродвигателях и электрических генераторах. Так же мы знаем, что энергию магнитного поля можно преобразовать в механическую энергию, и таким преобразователем энергии является обычный электромагнитный двигатель.

       В школе изучают коллекторный электродвигатель постоянного тока. Он состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и коллектора, обеспечивающего питание двигателя электрическим током. В качестве статора используют двухполюсный постоянный магнит или электромагнит. Ротор представляет собой электромагнит, ток на который подается через полукольца и щетки, образующие коллектор. Однако первый электродвигатель, созданный в 1821г., был униполярным, поскольку для его работы использовался только один полюс магнита, а коллектор вообще отсутствовал.

В моей работе речь пойдет  о двигателях, которые можно использовать в качестве учебных моделей.

 1.2.История создания униполярного электродвигателя.

Первый электродвигатель был создан Майклом Фарадеем, вдохновленным в свою очередь работами Андре-Мари Ампера, объединившие два разобщенных ранее явления - магнетизм и электричество. Открытия Ампера, Эрстеда и Араго побудили английского физика заняться вопросом о превращении магнитной и электрической энергии в механическую.  В 1821 году поставленная задача была решена с помощью специального прибора, в котором было продемонстрировано явление непрерывного электромагнитного вращения.

После удачного эксперимента Фарадей поставил себе новую задачу о превращении магнетизма в электричество. Явление, составляющее основу современной электроэнергетики, было открыто английским ученым лишь через десять лет. Оно было названо электромагнитной индукцией. Спустя 3 года русский физик Эмилий Ленц, обобщив проделанные Фарадеем опыты, сформулировал новый фундаментальный закон, дававший возможность безошибочно определить направление индуцированного тока.

Так называемый принцип обратимости был доказан Ленцем не только теоретически, но и экспериментально: катушка, при ее вращении между полюсами магнита, генерировала электрический ток.  Обратная реакция заключалась в том, что катушка начинала вращаться, если в нее посылали ток. Исследование английского физика и опыты русского академика сыграли решающую роль в истории электродвигателя и развитии всего электромашиностроения в целом.

1.3.Первые попытки создания электродвигателя.

 Разработки теоретических предпосылок моментально дали толчок для создания первых электродвигателей и генераторов электрического тока. В 1924 году английский физик и математик Питер Барлоу с помощью прибора наглядно продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую. Колесо Барлоу представляло собой два горизонтально расположенных П-образных постоянных магнита, под которыми на одной оси размещены два медных зубчатых колеса. Когда через колеса проходил ток, они начинали вращаться в одном направлении (Рис.1.) .

При этом ученый заметил, что смена полярности контактов и полюсов магнитов изменяла и направление вращения колес. Его опыт дал пищу для размышления другим изобретателям, и уже в 1931 году была представлена еще одна модель электродвигателя. На этот раз Д. Генри сделал попытку использовать для получения качательного движения отталкивание одноименных и притяжения разноименных магнитных полюсов.

Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. Первый электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала был создан в 1834 году физиком и академиком Борисом Якоби. Но стоит отметить, что впервые идею о создании более современного электродвигателя с вращательным движением высказал английский ученый В. Риччи еще в 1833 году. Был ли знаком Якоби с работой Риччи, неизвестно.

Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора (Рис.2.) . Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80-120 оборотов в минуту.

В 1837 году Якоби обратился к Министру народного просвещения графу     С. Уварову с предложением о практическом применении своего электродвигателя. О предложении русского академика было доложено Николаю I. Император дал добро на создание «Комиссии для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу Якоби».

Первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы.

1.4.Использование.

Униполярные двигатели находят довольно широкое применение. Их используют:

• в транспортных средствах  для транспортировки грузов;
•  в системах, связанных с работой в морской воде;
• в приборостроении;
• в электрохимии;
•  при электросварке;
• в ускорителях заряженных частиц;
• в установках электроискровой обработки металлов;
•  как источник питания жидкометаллических насосов постоянного тока и др.

1.5.Цели и задачи.

В ходе выполнения работы я поставила перед собой следующую цель: создать учебные модели двигателей.

Для выполнения поставленной цели были выдвинуты задачи:

1) изучить историю создания коллекторных и униполярных двигателей;

2) на основе полученных данных сконструировать учебные модели    электродвигателей;

3) более детально изучить принципы работы униполярных двигателей на наглядных моделях.

2.Основная часть.

2.1.Конструкция униполярного электродвигателя.

Известно немало различных конструкций униполярных электродвигателей. Один из приборов, применявшихся для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя, изображен на рис.3.  В нем вокруг северного полюса постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2. Середина рамки соединена с острием, которое погружено в чашечку с ртутью 3, концы рамки опущены в кольцевой сосуд с ртутью. Электрический ток от правой клеммы проходит через центральную металлическую стойку, ртутный контакт 3, ветви рамки 2, кольцевой сосуд с ртутью 4 и боковую металлическую стойку к левой клемме. Для указанных на рисунке положений северного магнитного полюса и направления тока на рамку действуют силы, заставляющие её вращаться в направлении, показанном стрелками.

2.2.Методика проведения экспериментов.

Описанную выше модель униполярного электродвигателя в настоящее время нельзя использовать для воспроизведения в школе или дома. Дело не только в том, что она конструктивно сложна. Главная причина в том, что пары ртути ядовиты, поэтому применение ртути в учебных опытах неприемлемо.

Ртуть в описанных приборах выполняет две функции. Во-первых, обладая хорошей проводимостью, ртуть обеспечивает надежный электрический контакт с небольшим электрическим сопротивлением между подвижными и неподвижными проводниками. Во-вторых, являясь при комнатной температуре жидкостью, создает сравнительно небольшое механическое сопротивление между движущимися в ней проводниками.

Отсюда следует, что для создания пригодного для учебных опытов прибора нужно решить проблему хорошего контакта и малого сопротивления между движущимися проводниками.

В данной ситуации лучше всего использовать неодимовые магниты. Эти магниты изготавливаются из сплава редкоземельного металла неодима, железа и бора. Они обладают огромной остаточной магнитной индукцией и весьма значительной коэрцитивной силой. Кроме того, поверхности этих магнитов покрыты защитным проводящим слоем. Изготавливаются неодимовые магниты самой различной формы, в том числе и в виде дисков (фото  4). Применяются они, например, в электродвигателях компьютеров, в маломощных динамиках и т.д.

Неодимовые магниты небольших размеров можно приобрести в интернет-магазине, что мы и сделали.

2.3.Эксперимент №1.

Для начала мы попробовали сконструировать самый элементарный униполярный электродвигатель. Для этого нам понадобилась алкалиновая батарейка, стальной шуруп, многожильный медный проводник с очищенными от изоляции концами и один неодимовый магнит (фото 1). Перед проведением эксперимента мы прикрепили к шурупу цветной флажок, чтобы можно было зафиксировать его вращение.  Магнит примагнитили к шляпке шурупа, острие которого в свою очередь было примагничено к отрицательному полюсу батарейки. С положительным полюсом соединили один конец проводника, а другой его конец присоединили к поверхности магнита. При этом через проволоку начинал проходить электрический ток и шуруп с магнитом приходил в быстрое вращение вокруг оси (фото 2). Объяснить это можно тем, что на свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле магнита действует сила Лоренца, направление которой находится по правилу левой руки. Эта сила и создаёт вращающий момент.

2.4.Экспкримент №2.

Вторая модель также представляет собой несложную конструкцию. Для ее сооружения мы использовали солевую батарейку напряжением 1,5 В,  медную проволоку и два неодимовых магнита, соединенных друг с другом (фото 3). Из проволоки мы изготовили рамку такой формы, чтобы ее можно было уравновесить на батарейке, и так же как в эксперименте 1 прикрепили цветные флажки для более наглядного представления ее вращения. К отрицательному полюсу батарейки примагнитили магниты, а на положительном полюсе установили проволочную рамку таким образом, чтобы ее концы слегка касались поверхности магнита. После выполнения описанных действий по рамке начинает проходить ток, и она  вращается на батарейке вокруг своей оси (фото 4).

2.5.Эксперимент №3.

Для проведения третьего эксперимента нам потребовалась батарея гальванических элементов напряжением 4,5 В, проволочная катушка, содержащая примерно 10 витков медного провода в изоляции, два зажима типа "крокодил" и магнит из неодима (фото 5). Изоляцию с выводов катушки мы сняли полосками так, чтобы обеспечить хорошее электрическое соединение. Оба зажима закрепили на полюсах батареи, а  в отверстия этих зажимов вставили выводы  катушки. Под катушкой между полюсами гальванического элемента расположили магнит.  Катушка начинает вращаться, когда ее плоскость  совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля, т.е. вертикальна (фото 6). Стоит отметить, что если  перевернуть магнит другим полюсом к катушке, то она начинает вращаться в обратную сторону. Направление вращения катушки зависит от действующей на нее силы Лоренца.

В данной модели имеются все элементы настоящего электродвигателя: источник тока, статор, якорь и коллектор.

2.6.Эксперимент №4.

Для создания следующей модели униполярного электродвигателя мы использовали алкалиновую батарейку, медную  проволоку с очищенными от изоляции концами и четыре попарно соединенных неодимовых магнита (фото 7). К обоим полюсам батарейки мы присоединили по два магнита. Оголенные концы проволоки немного закруглили таким образом, чтобы они могли повторить поперечный контур батарейки. Батарейку с магнитами расположили на столе горизонтально и закругленными краями поместили на нее проволоку. После этого батарейка начала вращаться, передвигаясь по столу и перемещая за собой проволоку (фото 8).

2.7.Эксперимент №5.

Для последнего эксперимента, который мы проводили, нам потребовался штатив, стальной никелированный стержень, алкалиновая батарейка, стальной шарик диаметром 8 мм, многожильный медный проводник с очищенными от изоляции концами, два неодимовых магнита, а также П-образная бумажная полоска. Стальной стержень мы разместили в штативе, и при помощи скотча прикрепили к нему один конец медного проводника. Затем,  к отрицательному полюсу батарейки  присоединили два магнита, а к положительному полюсу - стальной шарик. К магнитам мы присоединили бумажную полоску для того, чтобы зафиксировать вращение, после чего всю полученную конструкцию примагнитили к стальному стержню, рядом с медным проводником (Фото 9). Если  свободный конец многожильного провода привести в соприкосновение с боковой поверхностью неодимовых магнитов, то батарейка приходит в быстрое вращение вокруг своей оси.

3.Заключение, выводы.

Из подручных материалов нам удалось сконструировать различные модели униполярных электродвигателей. На  примере данных моделей можно  детально изучать  основные конструкционные особенности электродвигателей и их принципы действия. Хотелось бы отметить, что, несмотря на довольно большое разнообразие моделей, работают они все по одному принципу.

Так же можно сказать, что созданные нами модели прекрасно подходят для демонстрации опытов на уроках физики, что, несомненно, поможет привить учащимся интерес к науке и позволит более детально усвоить материал.

4.Список литературы.

1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982, с. 188–190.

2. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 4. Учение о магнитных и электрических явлениях. – Берлин: Госиздат, 1923, с. 672–678.

3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972, с. 70–72.

4.Униполярная индукция // Большой энциклопедический словарь. Физика. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». Москва, 1998

5. http://fiz.1september.ru/articles/

6. http://fiziks.org.ua/samyj-prostoj-v-mire-elektrodvigatel/

7. http://ru.wikipedia.org/

8. http://www.matri-x.ru/energy/unipolar.shtml

9. http://www.elcomspb.ru/wiki/eltech_history/hist_create_dvig/

10. http://ecoconceptcars.ru/2011/01/blog-post_10.html

5.Приложения

Рисунок 1. Колесо Барлоу.

Рисунок 2. Двигатель Якоби.            

Рисунок 3. Униполярный двигатель.

Рисунок 4. Неодимовые магниты.

             Фото 1.

Фото 2.

Фото 3.

Фото 4.

Фото 5.

Фото 6.

Фото 7.

Фото 8.

Фото 9.