Генератор переменного тока

Российская Федерация

кемеровская область, город новокузнецк

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 22»

VIII Международная очно-заочная

научно-практическая конференция обучающихся

«Мир моих исследований»

Секция 2. «Мир моих исследований по физике»

Научно-исследовательская работа

Генератор переменного тока

Работу выполнил:

Блинов Артем, 9 класс,

МБОУ « СОШ № 22»,

Научные руководители:

Овчинникова Наталья Борисовна,

учитель физики

МБОУ « СОШ № 22»

Гундарева Анна Викторовна,

педагог дополнительного образования МБУ ДО СЮН

город Новокузнецк, 2024 год

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

I. Теоретическая часть…………………..…………………...……………….4

1.1 Мобильный генератор переменного электрического тока как объект проектирования ………………………………………………………………...…..4

1.2. Физические характеристики генератора переменного тока………….5

II. Практическая часть…………….…………………………………………6

2.1 Изготовление генератора переменного тока и проведение исследования ………………………………………………………………………………...6

Выводы……………………………………………………………………….9

Заключение…………………………………………………………………...9

Список литературы………………………………………………………….10

Приложение 1………………………………………………………………...11

Введение

Сейчас почти у каждого человека есть телефон, с помощью которого можно поддерживать связь в любое время и в любом месте, пока у телефона в зарядном устройстве не разрядится конденсатор. Но во время похода, в лесу или в горах нет возможности зарядить телефон. В нашей работе мы бы хотели решить проблему: как в условиях отсутствия электрического тока в сети поддерживать работу мобильного телефона?

Для решения этой проблемы нам необходимо получить переменный электрический ток. Для этого понадобится генератор переменного тока.

Цель исследовательского проекта: создать генератор переменного тока и установить зависимость силы тока и напряжения от частоты вращения ротора, количества катушек, количества витков в катушке и количества магнитов, расстояния между катушками и магнитами.

Гипотеза: Мощность генератора зависит от частоты вращения ротора, количества катушек, количества витков в катушке и количества магнитов, расстояния между катушками и магнитами

ЗАДАЧИ:

1. Изучение литературы.

2. Разработка чертежа и схемы генератора.

3. Подбор комплектующих для создания генератора.

4. Сборка генератора.

5. Исследование физических характеристик генератора

6. Анализ результатов и вывод.

Методы: анализ литературы, экспериментирование, анализ результатов, математическая обработка.

Объект исследования: механический генератор переменного тока.

Предмет исследования: физические характеристики составляющих генератора переменного тока и их взаимозависимость.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Мобильный генератор переменного электрического тока как объект проектирования

Первый генератор переменного тока был создан в далёком 1832 году. Генератор переменного тока - электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Принцип работы генератора заключается в преобразовании механической энергии в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки. Электроны перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток. Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита, то есть когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимися постоянными магнитом. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

1.2 Физические характеристики генератора переменного тока

Величина индукционного тока зависит от частоты изменения магнитного поля, расстояния между катушкой и магнитами; количества катушек; количества витков в катушке; количества магнитов. Чем быстрее меняется магнитное поле, и чем больше площадь контура проводника, тем больше ЭДС. Так же силу тока можно увеличить, надев катушку на железный или стальной сердечник.

В нашей работе мы бы хотели установить зависимость силы тока и напряжения от 1) частоты вращения ротора; 2) количества катушек; 3) количества витков в катушке; 4) количества магнитов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Изготовление генератора переменного тока и проведение исследования

Материалы:

1. Фанера 8 мм

2. Шпилька М6

3. Гайка М6 (2шт)

4. Шайба М6 (2шт)

5. Стальная пластина оцинкованная (2шт)

6. Стальной болт М8 (7шт)

7. Стальной болт М12 (6)

8. Медная лакированная проволока Ø0,3мм

9. Медная лакированная проволока Ø1мм

10. Магниты (8шт)

11. Саморезы 10мм (4шт)

1) В процессе работы были изготовлены катушки индуктивности из медной проволоки (диаметром 0,3мм), содержащих 1000 витков. Тестирование показало, что площадь поперечного сечения проводника влияет на силу индукционного тока, она получилась совсем небольшой около 6 мА. При вставлении сердечника в катушку тока увеличилась до 18 мА и напряжение 0,56 В. При вращении ротора за 1 оборот через магнитное поле катушки проходит 3 магнита, которые изменяют магнитное поле катушки, из-за чего возникает индукционный ток. Но одной катушки мало, чтобы увеличить мощность генератора нужно добавить больше катушек. Мы увеличили мощность генератора, добавив ещё 5 катушек, соединив их последовательно (приложение1 табл. 1). При вращении ротора с разной частотой изменялись сила тока и напряжение (см. приложение 1 табл. 2 )

2) На основании статора 6 катушек и через магнитное поле каждой катушки за 1 оборот проходит 3 магнита. Но поскольку соединение последовательное, то сила тока осталась неизменной 18мА увеличилось только общее напряжение, так как оно равно сумме напряжений катушек до 3,37 В.

Но при измерениях генератор всегда выдавал разные значения, это связано с тем, что ротор прикреплён к оси с помощью двух гаек, из-за этого ротор немного наклонён и магниты на роторе не строго перпендикулярны катушкам, а это уменьшает магнитный поток, который находится по формуле Ф=BS cos a, где а - угол отклонения от нормали. В связи с этим уменьшается ЭДС, которое находится по формуле Еi = - ΔФ/ Δt.

3) Мы собрали для цепи множитель напряжения (см. Рис. 7), Работает такой множитель так: поскольку ток у нас переменный, и за один период меняет своё направление два раза, а наш множитель состоит из конденсаторов, соединённых последовательно, и диодов, пропускающих ток только в одном направлении. За первый полупериод диод заряжает только первый конденсатор, дальше диод не пропускает ток, затем направление тока меняется и диод пропускает ток ко второму конденсатору, теперь заряжается второй конденсатор, на который дополнительно разряжается первый, таким образом на втором конденсаторе накопилось двойное напряжение, потом на третьем тройное, на четвёртом четверное и так далее.

При подключении генератора к множителю напряжение действительно увеличилось до 13,5 В, но это больше в 4 раза. Произошло это потому, что конденсаторы просто не успевают накопить на себе заряд и отдают его, эту проблему мы решили увеличением частоты переменного тока.

3) С другими катушками я сделал новый генератор, технология изготовления точно такая же, но размеры другие (см. приложение 2 рис. 3; 4; 6). Диаметр сечения медной проволоки 1 мм, количество витков 1275. С гальванометром получилось замерить силу тока, которая оказалась равна 3,7 А. Мы видим зависимость величины сила тока от поперечного сечения медной проволоки (см. приложение 1 табл. 1).

4) После уменьшения зазора между катушкой и магнитом сила тока увеличилась до 4 А. Это наглядно показывает то, что сила индукционного тока зависит ещё и от расстояния между катушкой и магнитом. Измерили мультиметром напряжение на генераторе: 13В.

5) с помощью изготовленного генератора мы зарядили мобильный телефон на 6% за 4 минуты.

С помощью такого генератора уже вполне можно зарядить телефон, а для некоторых телефонов такой мощности будет даже слишком много, но эта проблема легко решается путём уменьшения частоты вращения ротора.

Выводы

В ходе исследования были собраны 2 механических генератора переменного тока и множитель напряжения. Генераторы отличались диаметрами роторов, от которых зависит угловая скорость вращения, диаметром медной проволоки катушек, и количеством витков в них, расстоянием между магнитами на роторе и катушками. Исследования показали, что сила тока и напряжение изменяются прямо пропорционально от частоты вращения, от количества катушек, диаметра проволоки и обратно пропорционально расстоянию между ротором и статором. Увеличить напряжение генератора можно с применением множителя напряжения.

Заключение

В ходе работы был создан генератор, для зарядки телефона, в условиях похода,

Но этот генератор получился громоздким и не совсем удобным. В дальнейшем я хочу усовершенствовать генератор, сделав его компактнее и прочнее без потери в мощности, установить ручку с редуктором для удобства вращения

Список литературы

2. Умножитель напряжения. Как работает и где применяется. - Режим доступа: https://youtu.be/DpDuBa8Oq3A?si=kFVLxN-hIDEFWtaX

3. Явление электромагнитной индукции. - Режим доступа:

https://foxford.ru/wiki/fizika/yavlenie-elektromagnitnoy-induktsii

Приложение 1

Таблица 1. Зависимость силы тока и напряжения от количества катушек и диаметра проводника.

Таблица 2. Зависимость напряжения и силы тока от частоты вращения.

Приложение 2

Рис. 1. Чертёж основания 1 Рис. 2. Чертёж ротора 1

Рис. 3. Чертёж основания 2 Рис. 4. Чертёж ротора 2

Рис. 5. Чертёж крестовины

Рис. 6. Чертёж крестовины 2

Приложение 3

Рис. 1. Схема множителя напряжения

Приложение 4

Фотография 1. Измерение силы тока на генераторе

Фотография 2. Измерение напряжения на генераторе