Latająca lampka świecąca bez baterii Demonstracja zjawisk fizycznych w polu elektromagnetycznym

Podobne dokumenty
MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

Lewitacja magnetyczna

X L = jωl. Impedancja Z cewki przy danej częstotliwości jest wartością zespoloną

Warsztatowo/ samochodowy wzmacniacz audio

MGR Prądy zmienne.

Temat: Elementy elektroniczne stosowane w urządzeniach techniki komputerowej

1. Bieguny magnesów utrzymują gwoździe, jak na rysunku. Co się stanie z gwoździami po zetknięciu magnesów bliższymi biegunami?

Indukcja wzajemna. Transformator. dr inż. Romuald Kędzierski

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

1. W gałęzi obwodu elektrycznego jak na rysunku poniżej wartość napięcia Ux wynosi:

Katedra Elektroniki ZSTi. Lekcja 12. Rodzaje mierników elektrycznych. Pomiary napięći prądów

Scenariusz lekcji. I. Cele lekcji

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

Pomiar indukcyjności.

Zad. 2 Jaka jest częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej o długości λ = 300 m.

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Badanie transformatora

Prosty model silnika elektrycznego

29 PRĄD PRZEMIENNY. CZĘŚĆ 2

PL B1. Sposób i układ do wykrywania zwarć blach w stojanach maszyn elektrycznych prądu zmiennego

Zwora Elektromagnetyczna MSL-41-02

MAGNETYZM. 1. Pole magnetyczne Ziemi i magnesu stałego.

Zwój nad przewodzącą płytą

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Zespół Szkół Technicznych w Skarżysku - Kamiennej. Projekt budowy Zasilacza regulowanego. Opracował: Krzysztof Gałka kl. 2Te

O różnych urządzeniach elektrycznych

Badanie transformatora

ZWORY ELEKTROMAGNETYCZNE - INSTRUKCJA OBSŁUGI

MOMENT MAGNETYCZNY W POLU MAGNETYCZNYM

Zajęcia elektryczno-elektroniczne

POMIARY CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ IMPEDANCJI ELEMENTÓW R L C

1. Połącz w pary: 3. Aluminiowy pierścień oddala się od nieruchomego magnesu w stronę wskazaną na rysunku przez strzałkę. Imię i nazwisko... Klasa...

A. istnieniu siły elektrodynamicznej C. zjawisku indukcji elektromagnetycznej B. zjawisku indukcji magnetycznej D. namagnesowaniu zwojnicy

Badanie transformatora

ML H z czujnikiem

BADANIE ELEMENTÓW RLC

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 27 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 2

GALWANOMETR UNIWERSALNY V 5-99

Lekcja 69. Budowa przyrządów pomiarowych.

Elementy indukcyjne. Konstrukcja i właściwości

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

INSTRUKCJA MONTAŻU / OBSŁUGI ZWORY ELEKTROMAGNETYCZNE ZEWNĘTRZNE EL-800WS, EL-1200WS

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

INSTRUKCJA MONTAŻU / OBSŁUGI

12.7 Sprawdzenie wiadomości 225

WYZNACZANIE INDUKCYJNOŚCI WŁASNEJ I WZAJEMNEJ

Rozkład materiału nauczania

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Zaznacz właściwą odpowiedź

Indukcyjność. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Badanie zjawiska rezonansu elektrycznego w obwodzie RLC

Ćwiczenie 3 Badanie własności podstawowych liniowych członów automatyki opartych na biernych elementach elektrycznych

Temat: MontaŜ mechaniczny przekaźników, radiatorów i transformatorów

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Elektromagnetyzm. pole magnetyczne prądu elektrycznego

30P4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM PODSTAWOWY

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 05/19. PRZEMYSŁAW FILIPEK, Lublin, PL WUP 06/19. rzecz. pat.

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Zajęcia elektryczno-elektroniczne

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU Elektryczny silnik liniowy

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z ZAJĘĆ TECHNICZNYCH KL. III W ROKU SZKOLNYM 2016/2017 ZAJĘCIA ELEKTRYCZNO - ELEKTRONICZNE WYMAGANIA EDUKACYJNE

Pole magnetyczne Ziemi. Pole magnetyczne przewodnika z prądem

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 24/18. PRZEMYSŁAW FILIPEK, Lublin, PL WUP 06/19. rzecz. pat.

Podstawy kompatybilności elektromagnetycznej

Ćw. 1: Badanie diod i prostowników

KOMPAKTOWY ZESTAW POMOCY DYDAKTYCZNYCH AMPER

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Zwora Elektromagnetyczna ML-300, ML z czujnikiem

AUDIO MODULATION OF TESLA COIL HIGH VOLTAGE GENERATOR MODULACJA ŹRÓDŁA WYSOKIEGO NAPIĘCIA TYPU CEWKA TESLI SYGNAŁEM DŹWIĘKOWYM

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

Ćwiczenie 4 WYZNACZANIE INDUKCYJNOŚCI WŁASNEJ I WZAJEMNEJ

Ćw. 27. Wyznaczenie elementów L C metoda rezonansu

Plan wynikowy I wymagania edukacyjne z przedmiotu zajęcia techniczne- zajęcia elektryczno-elektroniczne

Ćwiczenie: "Obwody ze sprzężeniami magnetycznymi"

Krzysztof Pawłowski Centrum Fizyki Teoretycznej PAN Warszawa. Magnetyczna latarka

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

30R4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM ROZSZERZONY

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

Temat XXIV. Prawo Faradaya

Elementy elektrotechniki i elektroniki dla wydziałów chemicznych / Zdzisław Gientkowski. Bydgoszcz, Spis treści

STABILIZATORY NAPIĘCIA I PRĄDU STAŁEGO O DZIAŁANIU CIĄGŁYM Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Radio czyli jak zbudować prosty odbiornik radiowy Opracowanie: Andrzej Grodzki

Czujnik położenia elementów metalowych MCPM / MCPM_z

WYMAGANIA EDUKACYJNE NA POSZCZEGÓLNE OCENY Z ZAJĘĆ TECHNICZNYCH KL. III

Zadania z podstaw elektroniki. Zadanie 1. Wyznaczyć pojemność wypadkową układu (C1=1nF, C2=2nF, C3=3nF):

Zasilacz Buforowy ZB IT - Informacja Techniczna

PRZED PRZYSTĄPIENIEM DO ZAJĘĆ PROSZĘ O BARDZO DOKŁADNE

Elektryczność i magnetyzm cz. 2 powtórzenie 2013/14

Ć wiczenie 2 POMIARY REZYSTANCJI, INDUKCYJNOŚCI I POJEMNOŚCI

Komplet do nadawania i odbioru obrazu video drogą radiową. Instrukcja obsługi

Opis dydaktycznych stanowisk pomiarowych i przyrządów w lab. EE (paw. C-3, 302)

PODSTAWOWE ELEMENTY ELEKTRONICZNE DIODA PROSTOWNICZA. W diodach dla prądu elektrycznego istnieje kierunek przewodzenia i kierunek zaporowy.

Transkrypt:

Dział Projekty Czytelników zawiera opisy projektów nadesłanych do redakcji EP przez Czytelników. Redakcja nie bierze odpowiedzialności za prawidłowe działanie opisywanych układów, gdyż nie testujemy ich laboratoryjnie, chociaż sprawdzamy poprawność konstrukcji. Prosimy o nadsyłanie własnych projektów z modelami (do zwrotu). Do artykułu należy dołączyć podpisane oświadczenie, że artykuł jest własnym opracowaniem autora i nie był dotychczas nigdzie publikowany. Honorarium za publikację w tym dziale wynosi 250, zł (brutto) za 1 stronę w EP. Przysyłanych tekstów nie zwracamy. Redakcja zastrzega sobie prawo do dokonywania skrótów. Latająca lampka świecąca bez baterii Demonstracja zjawisk fizycznych w polu elektromagnetycznym Właściwe zrozumienie praw fizycznych wymaga przeprowadzania pokazów oraz samodzielnego wykonywania doświadczeń przez uczniów. Nie wystarczy uczenie matematycznego opisu praw fizycznych, dlatego nauczyciel powinien być wyposażony w odpowiednie do tego celu pomoce dydaktyczne. Za pomocą opisywanego urządzenia można zademonstrować co najmniej dwa zjawiska fizyczne. Jest to oddziaływanie pola magnetycznego na przedmiot oraz indukcja elektromagnetyczna. Wydaje nam się (a potwierdziły to pokaz dla szkół, które przeprowadziliśmy), że zjawiska są pokazywane w sposób przystępny, efektowny i zapadający w pamięci obserwujących je osób, co wpływa na chęć bliższego zapoznania się z tematem. Zalążkiem naszego projektu był pomysł zbudowania urządzenia, służącego do przesyłania energii elektrycznej na odległość za pomocą pola magnetycznego. Do wykonania prototypu linii transmisyjnej użyliśmy dwóch cewek powietrznych. Jak się przekonaliśmy, z jej wykorzystaniem można było zasilić bezprzewodowo niewielki odbiornik elektryczny. Kiedy wstępne eksperymenty przekonały nas, że taki przekaz jest możliwy, postanowiliśmy przygotować pokaz zastanawiając się jednocześnie, w jaki sposób uatrakcyjnić go dla potencjalnego odbiorcy. Dodanie funkcji lewitacji spełniło nasze oczekiwania. Widok diody świecącej bez baterii na dodatek swobodnie zawieszonej w powietrzu, zaskakuje niejednego obserwatora. Urządzenie pokazane na fotografii 1 wykonanej podczas przeprowadzania doświadczeń przez uczniów gimnazjum w Ociążu, umożliwia demonstrowanie zjawisk fizycznych zachodzących w polu elektromagnetycznym. Może ono być wykorzystane w roli pomocy dydaktycznej na lekcjach fizyki w gimnazjum lub w szkole ponadgimnazjalnej. Nazwa projektu Latająca lampka świecąca bez baterii, została wymyślona w celu zaintrygowania gimnazjalistów, dla których, zaplanowaliśmy i przeprowadziliśmy pod opieką nauczyciela Zespołu Szkół Technicznych w Ostrowie Wielkopolskim, którego byliśmy wówczas uczniami, kilkanaście lekcji z jego wykorzystaniem. Opracowany scenariusz lekcji, instrukcja obsługi, oraz prezentacja w programie Power Point, wspomagały nas przy jej realizacji. Uczniowie biorący udział w zajęciach mogli bezpiecznie i aktywnie uczestniczyć w realizacji pokazów. Samodzielnie budowali la- Projekt 219 tającą lampkę, a punktem kulminacyjnym było swobodne zawieszenie w powietrzu wykonanej lampki, zasilanej bezprzewodowo z odległości około dwudziestu centymetrów. Efekt lewitującej lampki w zaciemnionym pomieszczeniu przedstawia fotografia 2. Urządzenie umożliwia: Zademonstrowanie działania elektromagnesu oraz wpływu natężenia prądu płynącego w przewodzie na wartość powstającej siły magnetycznej (fotografia 3). Pokaz zjawiska lewitacji, tzn. swobodnego zawiśnięcia przedmiotu w powietrzu, gdy ciężar przedmiotu jest równoważony przez przyciąganie elektromagnesu (fotografia 4). Zademonstrowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej dzięki bezprzewodowemu przesyłaniu energii elektrycznej za pomocą zmiennego pola elektromagnetycznego, co objawia się świeceniem diody LED umieszczonej w polu elektromagnesu (fotografia 5 ). Jednoczesne zademonstrowanie przenikających się dwóch zjawisk tj. działania 36 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2014

Latająca lampka świecąca bez baterii Wykaz elementów Rezystory: R1: R10: 470 V R2: 220 V R3, R4, R6: 10 kv R5: 180 kv R7: 1 kv R8: 27 kv R9: 100 V Kondensatory: C1: 100nF Półprzewodniki: Fr1, Fr2: fotorezystor 10 kv D1: 1N5401 D2: 1N4007 T1: BD911 U1: LM358 Inne: Złącze z zasilacza komputerowego Fotografia 1. Uczniowie gimnazjum w Ociążu wykonują doświadczenie Fotografia 2. Efekt lewitującej lampki w zaciemnionym pomieszczeniu siły magnetycznej wywołującej lewitację oraz zjawiska indukcji elektromagnetycznej, czego efektem jest zaświecenie lewitującej lampki (fotografia 6). Budowa Funkcjonalnie urządzenie można podzielić na dwie części, działające niezależnie od siebie, ale najciekawszy efekt daje ich jednoczesne użycie. Cześć pierwsza, to elektromagnes z funkcją lewitronu (fotografia 7). Część druga to zestaw dwóch cewek do prezentacji zjawiska indukcji elektromagnetycznej, z których jedna umieszczona jest nieruchomo na specjalnej półce o regulowanej wysokości, a druga stanowi element zawieszanej w powietrzu latającej lampki (fotografia 8). Obudowa pierwszej części urządzenia elektromagnesu z funkcją lewitronu, jest w całości wykonana z drewna. W jego dol- nej części jest zamontowany zasilacz komputerowy wytwarzający napięcia stałe, potrzebne m.in. do poprawnej pracy układu elektronicznego sterującego funkcją lewitronu. Płytkę elektroniki umieszczono w sąsiedztwie zasilacza. Do belki poprzecznej, w górnej części konstrukcji, jest przykręcony elektromagnes w postaci uzwojenia nawiniętego na śrubie stalowej M12. Na belkach pionowych, po przeciwnych stronach, nieco poniżej dolnej płaszczyzny elektromagnesu, zamontowane są z jednej strony dwa czujniki fotorezystory, a z drugiej źródło światła laser półprzewodnikowy. Pozyskany ze starego komputera zasilacz o mocy 300 W zapewnia napięcie +12 V do zasilania obwodów elektromagnesu oraz napięcie +3,3 V do zasilania lasera. Zastosowano laser wymontowany z wyrzynarki, w której pełnił funkcje wskaźnika linii cięcia. Tutaj jest przymocowany na kawałku pleksiglasu, za pomocą nakrętek motylkowych, aby można było regulować jego położenie. Za czujniki położenia lewitującego przedmiotu posłużyły dwa fotorezystory, z których jeden mierzy poziom jasności światła w pomieszczeniu, w którym jest urządzenie, a drugi promień światła padający z lasera. Drugą część urządzenia stanowi drewniana półka z zestawem dwóch cewek do prezentacji zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Półkę można wstawiać w pole pracy lewitronu,. Wysokość półki, na której REKLAMA Fotografia 3. Pokaz działania elektromagnesu ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2014 37

Fotografia 4. Pokaz lewitacji przedmiotu Fotografia 5. Demonstracja zjawiska indukcji. Fotografia 6. Bezprzewodowe zasilanie latającej lampki spoczywa cewka nadawcza, jest regulowana dzięki zastosowaniu czterech gwintowanych prętów i nakrętek korygujących. Jedno z kilku wykonań cewki odbiorczej stanowiącej naszą latającą lampkę pokazano na fotografii 8 w dolnej części półki. Cewka nadawcza to 21 zwojów drutu miedzianego o średnicy 0,5 mm nawiniętego na pudełku po płytach CD. Do końców uzwojenia jest dołączony równolegle kondensator 47 nf/50 V. Z punktu widzenia sprawności przekazywania energii oraz natężenia generowanego pola elektromagnetycznego najlepiej, aby powstały w ten sposób transformator pracował z częstotliwością rezonansu własnego. Jak stwierdziliśmy podczas budowy i co jest zgodne z teorią, po doprowadzeniu do cewki napięcia zmiennego z generatora o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej obwodu LC wokół Fotografia 7. Elektromagnes z funkcją lewitronu 38 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2014

Latająca lampka świecąca bez baterii Fotografia 8. Półka z cewką nadawczą (na dole cewka odbiorcza) Fotografia 9. Generator zasilający cewkę nadawczą, widoczny po lewej stronie urządzenia Rysunek 10. Schemat ideowy układu sterującego elektromagnesem lewitronu REKLAMA Qi Ładowanie Indukcyjne! Ag301/311 Ładowanie Indukcyjne Plug & Play 5W mocy użytecznej 0,16W standby, zgodność z Qi Wykrywanie obiektów w zasięgu i opcjonalnie dopasowanie magnetyczne (A1/A10) Wbudowane zabezpieczenia prądowe i napięciowe Warakorn - Fotolia.com Kontakt: pawel.pajda@codico.com +48 12 417 10 83 www.codico.com ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2014 39

Rysunek 11. Schemat ścieżek płytki drukowanej Fotografia 12. Nawijanie cewki elektromagnesu za pomocą wiertarki elektromagnesu jest wytwarzane silne pole magnetyczne. Najlepiej, aby zmiany tego pola były odbierane przez uzwojenie wtórne o takiej samej częstotliwości rezonansowej. Dlatego cewka odbiorcza ma tę sama liczbę zwojów i jest nawinięta na identycznym pudełku po płytach CD, a do jej uzwojenia dołączono kondensator o takiej samej pojemności, jak w cewce nadawczej. Do takiego obwodu są dołączone diody świecące LED (w liczbie od 1 do 4) z rezystorami szeregowymi 220 V. Zaświecenie się diod najlepiej świadczy o indukowaniu się prądu w cewce odbiorczej. Do zasilania cewki nadawczej zastosowaliśmy generator laboratoryjny wytwarzający przebieg prostokątny o napięciu ±10 V i częstotliwości regulowanej, ustawionej na około 70 khz (fotografia9). Docelowo generator będzie zamontowany w obudowie lewitronu obok zasilacza. Pierwszym etapem realizacji naszego pomysłu było opracowanie schematu ideowego układu sterującego elektromagnesem (rysunek 10), który zmontowaliśmy na własnoręcznie zaprojektowanej i wykonanej płytce drukowanej. Jej projekt pokazano na rysunku 11. Cewkę elektromagnesu wykonaliśmy nawijając 130 m DNE 0,9 mm na stalowej śrubie M12 (fotografii 12). Cewki nadawczą i odbiorczą nawijaliśmy ręcznie. Jest to prosta czynność, co potwierdza fakt, że uczniowie gimnazjum podczas prowadzonych przez nas lekcji, samodzielnie budowali (nawijali) latającą lampkę. Indukcyjność cewki jest zdeterminowana liczbą zwojów, średnicą cewki oraz przekrojem przewodu i wynosi 118 mh. Taką wartość uzyskaliśmy mierząc gotową cewkę. Wartość pojemności C kondensatora wynika z założonej częstotliwości rezonansowej, która z założenia miała mieścić się w granicach 50 100 khz. Na podstawie obliczeń oraz wybierając pojemność z typoszeregu użyliśmy kondensatora stałego 47 nf. Przy tej pojemności częstotliwość rezonansowa wynosi około 70 khz. Uruchomienie i użytkowanie Uruchomienie elektromagnesu nie wymagało specjalnych czynności regulacyjnych. Właściwe działanie funkcji lewitacji polegało jedynie na odpowiednim ustawieniu położenia wysokości lasera i czujników. Przeprowadzone próby lewitacji z użyciem kilku przedmiotów metalowych różniących się kształtem, wymiarami i ciężarem potwierdziły możliwość użycia dla celów demonstracji obiektów wykonanych ze stali. Najpewniej zawisają w powietrzu przedmioty, które są zaokrąglone w miejscu, gdzie oświetla je laser czujnika. Zasilając cewkę napięciem o różnym kształcie (sinusoida, trójkąt i prostokąt) oraz wartości maksymalnej 10 V zaobserwowaliśmy, że najlepsze efekty uzyskuje się dla napięcia prostokątnego. Wtedy energia pola magnetycznego jest na tyle duża, że diody LED świecą w odległości aż 20 cm. Robert Bieganek Krzysztof Woźniak Piotr Pawlak 40 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2014