simple site templates

Школьная научная работа: «Вращающиеся магнитный поля»

Запись опубликована 18.03.2019 в 00:41 в следующих рубриках: Физика.



Школьная научная работа: «Вращающиеся магнитный поля»

Средняя общеобразовательная школа № 78 г. Нижний Новгород. Научное общество учащихся. Секция физика 5 (Электричество и магнетизм).

Выполнил: ученик 9 «б» класса Сорокин Александр
Научный руководитель: Антонова О.Г.

Введение

Тема вращающихся магнитных полей является очень актуальной в области реальной техники. На принципе вращающихся магнитных полей построены многие электрические машины.

В своей работе я изучал вращающиеся магнитные поля и их практическое применение. Я взял эту тему, так как меня интересует техника.

Рассмотрим алюминиевый диск, подвешенный к опоре за центр тяжести. Поднесем к нему магнит и мы можем наблюдать, что диск не магнитится. Если под этот диск поставить обычный магнит и начать его вращать, то вращение магнита вызовет вращение и алюминиевого диска. Сразу возникает вопрос, почему диск вращается?

И так же быстро напрашивается ответ, что, может быть, вращающийся магнит вызывает вращение прилежащих слоев воздуха и они увлекают за собой наш диск?!

Но это не так. И для того, чтобы исключить такую вероятность, мы поставили между вращающимся магнитом и диском оргстекло. И убедились, что вращение магнита все равно заставляет диск вращаться.

1.Теоретическая часть.

1.1.Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Определение явления электромагнитной индукции: при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (э.д.с.). не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой э.д.с. , называется индукционным током.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления магнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие ученые и техники разных стран. Среди них были и наши отечественные ученые: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семенович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внесшие большой вклад в развитие электротехники.

1.2. Вихревые токи Фуко.

Вихревые токи, токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) — вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, наличие которых можно определить поднося к диску магнитную стрелку и которые взаимодействуют своим магнитным полем с внешним магнитным полем, противодействуя его изменению. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др., т.е. чтобы стрелки быстрее успокаивались.

Вихревые токи (токи Фуко)

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до температуры плавления.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными. (ферриты это специальный материал, который обладает большой магнитной проницаемостью)

1.3. Трехфазная система электрических цепей.

Трехфазной системой электрических цепей называется система, состоящая из трех электрических цепей переменного тока одной частоты, (э.д.с.) которых имеют разные начальные фазы.

Трехфазная система электрического тока получила широкое распространение, как система, обеспечивающая более экономичную передачу энергии по сравнению с однофазной системой. Кроме того она позволяет создать простые по устройству и надежные в эксплуатации двигатели и генераторы.

Изобретение трехфазной системы и создание трехфазного генератора и электродвигателя принадлежит выдающемуся русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому.

Простейший трехфазный генератор имеет на якоре одинаковые обмотки (фазы). Оси обмоток сдвинуты в пространстве одна относительно другой на равные углы 2π/3=120º. Поэтому индуктированные в обмотках э.д.с. с одинаковыми амплитудами сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Электродвижущая сила второй фазы отстает от э.д.с. первой фазы на 1/3 периода. А э.д.с. третьей фазы опережает э.д.с. первой фазы на 1/3 периода.

При соединении обмоток звездой концы обмоток соединяют в одну точку, называемую нейтралью генератора. В четырехпроводной системе к нейтрали присоединяют нулевой провод. К началам обмоток генератора присоединяются три линейных провода.

Для трехфазных цепей стандартными являются напряжения 120в и380в.

1.4.Трехфазный двигатель

Электрическая энергия получается, передается и используется, как правило, при помощи трехфазной системы токов.

Для преобразования электрической энергии в механическую в различных силовых установках применяют главным образом асинхронные двигатели.

Трёхфазный двигатель —это электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока.

В 1889 году М.О.Доливо-Добровольским был изобретен трехфазный асинхронный двигатель, в котором используется вращающееся магнитное поле.

Будучи прост, дешев и надежен в эксплуатации, этот двигатель имеет хорошие механические характеристики. Он применяется для привода машин и механизмов, не требующих строго постоянной частоты вращения и регулирования ее.
Трехфазный двигатель представляет собой машину переменного тока, состоящую из статора с тремя обмотками, магнитные поля которых сдвинуты в пространстве на 120° и при подаче трехфазного напряжения образуют вращающееся магнитное поле, и из ротора - различной конструкции - вращающегося со скоростью несколько медленнее поля статора (Асинхронный двигатель).

1.5.Принцип действия асинхронного двигателя.

Наибольшее распространение в технике и промышленности получил асинхронный трёхфазный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, также называемой «беличье колесо». Под выражением “трехфазный двигатель” обычно подразумевается именно этот тип двигателя.

Наведенные вращающимся магнитным полем э.д.с. ротора создают в замкнутых его проводниках токи индукции (вторичные токи), которые взаимодействуют с вращающимся магнитным полем статора. На проводники ротора действуют электромагнитные силы, направленные касательно к поверхности ротора (правило левой руки). В результате сложения электромагнитных сил и их моментов на валу ротора возникает суммарный момент сил, приводящий ротор в движение в направлении вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора должна быть меньше частоты вращения поля статора, так как только при этом условии магнитное поле статора будет наводить в роторе необходимые для работы токи.

По этой причине двигатель называется асинхронным.

Трехфазный двигатель: вид сверху (1,2,3 – катушки; 4 - стержень)

2. Практическая часть.

2.1.Постановка эксперимента.

Давайте посмотрим, что же теперь произойдет.

Поставим на наш прибор компас или небольшой магнит и убедимся, что там находится вращающийся магнит. Наш прибор состоит из двухфазного двигателя, взятого от радиолы «Ригонда». И оттуда же взяли конденсатор. Магнит прикреплен на этот двигатель.

Проведем эксперимент и убедимся, что диск вслед за вращающимся магнитом тоже начал вращаться.

2.2 Объяснение эксперимента.

Известно, что при вращении магнитного поля возникает э.д.с. индукции, которая вызывает в алюминиевом диске электрические токи. Это токи Фуко. А электрический ток в свою очередь создает свое магнитное поле. Эти магнитные поля взаимодействуют между собой, так как появившийся электрический ток своим магнитным действием противодействует изменению внешнего магнитного поля.

Кстати, на принципе вращения магнитных полей основана большая отрасль техники – электродвигатели.

А как можно, не вращая магнита, т.е. не вращая твердого тела, с помощью особенностей переменного электрического тока создать вращающееся электрическое поле?

Давайте используем двухфазный ток. Возьмем две пары обмоток и расположим их попарно перпендикулярно друг другу. Сетевой ток подадим на одну пару обмоток, а затем этот же сетевой ток, но через конденсатор подадим на вторую пару обмоток. Тогда на второй паре обмоток напряжение будет сдвинуто относительно тока на π/2, т.е. напряжение на второй паре обмоток опережает напряжение на первой паре на 90º. Если на первой паре обмоток сила тока равна нулю и магнитного поля нет, то на второй в этот момент будет создан максимальный ток , и магнитное поле максимально. В результате суммарный вектор магнитного поля будет вращаться, изменяя только направление , но не изменяя своей величины.

Итак мы получили вращающееся магнитное поле. Мы подвели ток от сети к одной паре обмоток, а сдвиг фаз обеспечили с помощью конденсатора. Такие двигатели получили название конденсаторные.

Заключение

В своей работе я узнал, что такое трехфазный ток, разобрался в принципах действия трехфазных асинхронных двигателей.
Познакомился с явлением возникновения вихревых токов в проводниках и их практическим применением.

На этих принципах собрана установка, демонстрирующая возникновение токов и их практическое применение.

Переменные низкочастотные магнитные поля (частотой около 50Гц) используются в медицине. Глубина проникновения 3-5 см. Есть отечественные аппараты. Их воздействие до сих пор изучается. Полагают, что основной точкой приложения переменных магнитных полей являются биологические мембраны.

В настоящее время установленным фактом является влияние магнитных полей на биологические объекты.

Существуют разные гипотезы, но единого окончательного мнения об их использовании у ученых пока нет.

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Он всегда состоит из статора и ротора.
Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя. Полученную таким образом энергию можно использовать, приводя в движение различные механизмы.
Огромным преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является очень высокий КПД=98%.

Важно отметить, что роторная часть асинхронного двигателя – это немагнитный кусок металла. Причем лучше всего электрические токи возбуждаются в алюминии.

Недостатком является постоянное число оборотов, поэтому на транспорте используют двигатели постоянного ток.

Список литературы:

1) Попов В.С., Николаев С.А. «Общая электротехника с основами электроники»;
2) Г.С. Ландсберг «Элементарный учебник физики»;

Содержание:

Введение
1.Теоретическая часть
1.1.Электромагнитная индукция
1.2.Вихревые токи Фуко
1.3.Трехфазная система электрических цепей
1.4.Трехфазный двигатель
1.5. Принцип действия асинхронного двигателя
2.Практическая часть
2.1.Постановка эксперимента
2.2.Объяснение эксперимента
Заключение
Список литературы

Сорокин А., Антонова О.Г., faito.ru

КОНТАКТНАЯ ФОРМА

ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Ежедневные обновления и бесплатные ресурсы.