Данная работа была создана учеником 4 класса. Работа интересная.
Вложение | Размер |
---|---|
elektrichestvo-_drug_cheloveka_-_kopiya.docx | 684.96 КБ |
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Центр образования «Тавла» - Средняя общеобразовательная школа № 17»
Научно-практическая конференция
Электричество – друг человека!
Исследовательская работа
Выполнил:
Терёшкин Роман
ученик 4 Г класса
Руководитель:
Учитель начальных классов
Березова Е.В.
Саранск 2022
План:
Введение
1 История развития знаний об электричестве
1.1 От упоминания электричества до первой лампочки
1.2 Современные знания об электричестве
1.3 Взаимосвязь магнита и электричества
1.4 Основные понятия и термины: генератор, аккумулятор, переменный и постоянный ток.
2. Практическое электричество
2.1 Лимон – источник электрического тока.
2.2 Самодельный рамочный двигатель.
Заключение.
Список используемых источников.
Введение
Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.
Актуальность работы: электричество нас окружает повсюду. С самого рождения (батарейки в игрушках, в мобилях для кроватки) современный человек ежесекундно имеет дело с электрическим током. Данное явление стало для нас обыденным. Однако, несмотря на это, электрический ток представляет собой опасность и угрозу здоровью человека, если обращаться с ним неправильно! Очень важно с раннего детства рассказывать детям, что такое электричество и как с ним следует обращаться. А элементарные знания об источниках электрического тока и принципах их работы помогут как в быту, так и в экстремальных ситуациях выживания.
Цель работы: исследовать историю открытия и развития знания об электрическом токе. Смастерить на основе изученного, самодельный двигатель, используя, созданный из подручных материалов, источник электричества.
Задачи:
Методы исследования: изучение литературы и электронных ресурсов, эксперимент, моделирование.
Гипотеза: располагая элементарными знаниями в физике, можно извлечь электричество из подручных материалов и использовать его для создания простейшего электродвигателя.
Глава I. История развития знаний об электричестве.
1.1. От упоминания электричества до первой лампочки.
Первым, кто упомянул об электричестве, был античный философ Фалес Милетский. Именно он еще в VII веке до нашей эры заметил, что потертый о кусочек шерсти янтарь начинает притягивать к себе имеющие небольшой вес предметы. Однако на этом развитие исследований в данной сфере почти на 2,5 тысячелетия остановилось.
Только в XVII веке сначала был введен термин электричество (янтарность), обозначающий обнаруженное греческим философом явление (1600 год, Уильям Гилберт), затем начались активные изыскания по изучению природы электричества, возможностей его применения на благо человечества.
В 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания.
В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество.
В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть.
В 1745 г. Голландец Питер ван Мушенбрук создаёт первый электрический конденсатор – Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные – Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов.
Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость». Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний.
Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона. Это физический закон, описывающий взаимодействие между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами в вакууме.
Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока – гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой.
В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу. С этого открытия русского ученого началась история электрической лампочки или лампы накаливания. В дальнейшем основной вклад в создание электрической лампочки внесли русские инженеры Павел Николаевич Яблочков и Александр Николаевич Лодыгин.
Лодыгин после долгих экспериментов создал «Товарищество электрического освещения Лодыгин и компания» и в 1873 году продемонстрировал лампы накаливания своей системы. Академия наук присвоила Лодыгину Ломоносовскую премию за то, что его изобретение приводит к «полезным, важным и новым практическим применениям».
Тогда же собственную конструкцию лампы параллельно разрабатывал Павел Яблочков. В 1876 году он получил патент за лампочку своей системы, которая получила название «свеча Яблочкова». После грандиозного успеха свечи Яблочкова на Парижской выставке 1878 года, которую посетило много русских, ею заинтересовались в России.
Лодыгину, наоборот, не удалось наладить в России широкое производство своих ламп. Он уехал в Америку, и там узнал, что изобретенная им лампочка носит имя Эдисона. Но русский инженер не стал доказывать свой приоритет, а продолжал работу над усовершенствованием своего изобретения.
В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества – электрон.
1.2. Современные знания об электричестве
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда) под действием электрического поля в замкнутой цепи (рис. 1).
Рис. 1. Электрический ток
Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости.
Основными характеристиками тока являются:
Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.
Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле, за счет которого заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.
Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (батарейки и аккумуляторы) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.
С изобретением генераторов переменного тока электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.
Источником электрического тока обычно называется прибор или устройство, с помощью которого в цепи можно создать электрический ток. Такие устройства могут создавать как переменный ток, так и постоянный. По способу создания электрического тока они подразделяются на механические, световые, тепловые и химические.
Механические источники электрического тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Таким оборудованием являются различного рода генераторы, которые за счет вращения электромагнита вокруг катушки асинхронных двигателей вырабатывают переменный электрический ток.
Световые источники преобразуют энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников при воздействии на них светового потока выдавать напряжение. К такому оборудованию можно отнести солнечные батареи.
Тепловые – преобразуют энергию тепла в электричество за счет разности температур двух пар контактирующих полупроводников – термопар. Величина тока в таких устройствах напрямую связана с разностью температур: чем больше разница – тем больше сила тока. Такие источники применяются, например, в геотермальных электростанциях.
Химический источник тока производит электричество в результате химических реакций. Например, к таким устройствам относятся различного рода гальванические батареи и аккумуляторы. Источники тока на основе гальванических элементов обычно применяются в автономных устройствах, автомобилях, технике и являются источниками постоянного тока.
Сегодня человечество активно ищет и развивает возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.
1.2 Взаимосвязь магнита и электричества.
У любого магнита есть два полюса (полюсами магнита называют те его части, вблизи которых наиболее сильно проявляется действие магнита). Опыт показывает, что одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные – притягиваются (рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие магнитов
Оказалось, что взаимодействие полюсов магнита очень похожа на взаимодействие электрических зарядов. Однако получить «одиночные» магнитные полюса (только северный и только южный), подобные положительных и отрицательных электрических зарядов, оказалось невозможным: если распилить магнит, выходят два меньших магнита, у каждого из которых есть снова два полюса – северный и южный. Уже в XX веке было установлено, что даже элементарные частицы, такие как протон и электрон, являются крошечными магнитами, которые имеют по два полюса.
Прямое экспериментальное обнаружение связи между электрическими и магнитными явлениями произошло благодаря счастливой случайности. В 1820 году датский физик X. Эрстед, читая лекцию о постоянном токе, обратил внимание на то, что магнитная стрелка, находящаяся вблизи проводника, повернулась во время включения тока. Так было открыто действие проводника с током на постоянный магнит.
После того как были обнаружены взаимодействия магнитов с магнитами и электрическими токами с магнитами, встал вопрос: будет ли происходить магнитное взаимодействие между электрическими токами?
Положительный ответ на этот вопрос был получен Ампером. Он экспериментально установил, что параллельные проводники с токами взаимодействуют.
Оказалось, что параллельные проводники с токами взаимодействуют друг с другом: если токи текут в одном направлении, то проводники притягиваются, а если в противоположных направлениях – то отталкиваются. Взаимодействие проводников с токами используют для определения единицы силы тока, названной в честь Ампера «ампером». Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называются магнитными.
Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель – проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита – тем он и прославился (рис. 3).
Рис. 3. Двигатель Фарадея
Никола Те́сла – изобретатель в области электротехники и радиотехники, учёный, инженер, физик. Он широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем, синхронного генератора и асинхронного электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции. В честь изобретателя названа единица измерения плотности магнитного потока – тесла.
Исследуя вопрос взаимодействия магнита и электричества невозможно обойти тему возникновения электромагнитной волны. При взаимодействии электрического поля с магнитным, возникает электромагнитная волна.
Рис Электромагнитная волна
Если совсем точно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что вокруг частицы всегда есть электрическое поле, и она всегда худо-бедно да движется. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется, магнитное поле колеблется, эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.
К электромагнитным волнам относятся радиоволны, Wi-Fi и даже свет!
Впервые экспериментально электромагнитные волны зарегистрировал в 1888 году Ге́нрих Герц. Результаты, полученные Герцем, легли в основу создания радио. В честь него названа единица измерения частоты – «герц».
1.4 Основные понятия и термины: генератор, аккумулятор,
переменный и постоянный ток.
Но прежде чем приступить к практической части работы необходимо познакомиться с основными понятиями и терминами, которые нам понадобятся в данном проекте.
Переменный ток – волнообразный, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени. Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния в электрических сетях. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве мощных электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.
Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети – переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.
Постоянный ток – «выпрямляется» из волнообразного переменного и уже идёт обычной «прямой». Этот ток используется для не очень мощных приборов, но более точных. Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).
Генератор – это техническое устройство, занимающееся выработкой электроэнергии за счет преобразования других различных видов энергии, например:
Но исторически сложилось так, что чаще генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую (механическую) энергию вращения в электричество (рис. 4).
Рис. 4. Генераторы электрического тока
По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:
Рис. 5. Промышленные генераторы переменного тока
Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. Мы уже разобрали, что у каждого вида тока есть свои достоинства и недостатки.
Аккумулятор – или гальванический элемент, хранит электроэнергию и выдает её в виде постоянного тока. Он является химическим генератором электротока.
Большинство современных радиоэлектронных устройств работает на аккумуляторах. Это позволяет решать задачи без привязки к розетке, существенно повысить функциональность разнообразной техники, требующей в работе энергии.
В быту мы называем аккумулятором перезаряжаемый гальванический элемент, а не перезаряжаемый – просто батарейкой (рис. 6).
Аккумуляторная батарея заряжается на базе технологии преобразования электрической энергии в химическую. При разряде в банках происходит обратный процесс. Для обеспечения многократной повторной зарядки используется цикличный принцип работы.
Рис. 6. Гальванические элементы
Принцип работы аккумулятора был найден Алессандро Вольтом, который ещё в 1800 году опустил две пластины из меди и цинка в кислоту, доказав таким образом, что по соединяющей их проволоке способен протекать ток. Открытие нашло своё применение, и даже через 200 лет батареи нового типа используют данный принцип – основные составные части это – катод и анод, которые покрыты кислотой (электролитом), размещены в банках, последовательно соединённых в единую цепь (рис. 7).
Рис. 7. Принцип работы аккумулятора
Ранее все аккумуляторы производились по единому принципу, по строению были похожи на громоздкие автомобильные. Но уменьшение размеров портативных устройств потребовало разработки новой технологии, чтобы в компактном корпусе уместить не только высокотехнологичную начинку, но и ёмкий аккумулятор, полностью удовлетворяющий энергопотребностям гаджетов. Новые технологии предполагают отказ от кислоты в пользу гелеобразной жидкости, покрытие катодов алюминием, анодов – медной фольгой. В результате получается компактный источник питания с повышенной ёмкостью.
Электродвигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.
В основу работы подавляющего числа электродвигателей положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока), подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.
Рис. 8. Устройство и принцип работы электродвигателя
Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два главных класса: AC и DC.
Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой электрической розетке в доме).
Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).
Универсальные двигатели могут работать от источника любого типа.
Электродвигатели используются повсюду. Даже дома вы можете обнаружить их большое количество. Электродвигатели используются в часах, в вентиляторе микроволновой печи, в стиральной машине, в компьютерных вентиляторах, в кондиционере, в соковыжималке и т. д. и т. п. Ну а электродвигатели, применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно. Диапазон физических размеров – от размера со спичечную головку до размера локомотивного двигателя.
Глава II. Практическое электричество
2.1. Лимон – источник электрического тока.
На основе выше изученного мы попробуем создать источник постоянного электрического тока из подручных материалов (рис. 9).
Для данного эксперимента нам понадобятся:
Рис. 9. Комплектующие для эксперимента
Необходимо воткнуть медные провода и гвозди в лимон на расстоянии 3-4 см друг от друга. А к импровизированным контактам присоединить провода. Медный элемент будет выступать в качестве плюса, а цинковый минуса (рис. 10).
Рис. 10. Установка катодов и анодов
Самодельная батарейка на основе одного лимона может выдавать напряжение до одного вольта (рис. 11).
Рис. 11. Проверка наличия полученного тока
Этого недостаточно для заряда простого мобильного телефона или работы приемника. Но если нужно напряжение от 3 до 5 вольт, то вполне возможно это сделать. Нарастание происходит за счет увеличения количества плодов, соединенных последовательно (рис. 12).
А если соединить их параллельно, то увеличится сила тока при неизменном напряжении.
Рис. 12. Конструируем более мощную батарейку
Присоединяем к контактам светодиод, и… Опа! Он светится! Мы сгенерировали постоянный ток! (рис. 13).
Рис. 13. Практическое применение полученного электрического тока
Для конструирования электродвигателя постоянного тока необходимы следующие компоненты (рис 14):
Рис. 14. Батарейка, магнит, и провод
Из медного провода выгнем рамку специальной формы (рис. 15).
Рис. 15. Изготовление медной рамки
Установим вертикально на стопку магнитов батарейку отрицательным полюсом – вся эта конструкция станет единым магнитным сердечником двигателя. Далее установим медную рамку зачищенным «клювиком» на положительный полюс батарейки (рис. 16).
Рис. 16. Сборка двигателя
Работает! По рамке течет ток, и она вращается вокруг батарейки – это взаимодействие электричества с магнитном полем (рис. 17).
Рис. 17. Наш работающий двигатель
Заключение
Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.
На протяжении веков открывались новые и все более подробные знания о электрическом токе, магнитном поле и электромагнитных явлениях. Но последнее столетие произошел грандиозный прорыв – накопленные знания позволили человечеству «приручить» опасное электричество – найдены множество способов получения и потребления электрического тока и связанных с ним явлений.
Считается, что именно благодаря тому, что электричество стало другом человека, совершены все основные открытия и изобретения последних лет в науке и технике. И именно поэтому человеческая цивилизация существует в настоящее время в привычном нам виде.
Мы познакомили слушателей данной работы с основными понятиями и принципом работы источников и потребителей электричества, так как, к сожалению, многие ребята и даже некоторые взрослые не знают, основ работы многих окружающих их приборов, а это так интересно! А также нам удалось, основываясь на полученных знаниях, изготовить из подручных материалов источник электрического тока и работающий электродвигатель.
Список используемых источников
Девчата
"Не жалею, не зову, не плачу…"
Сказка про Серого Зайку
Сказка "12 месяцев". История и современность
Рыжие листья