Объяснения возникновения индукционного тока
МБОУ Гремячевская школа №2.
Техническая олимпиада 2019-2020.
«Энергия – это бесценный клад: Альтернативная реальность»
Школьная лига Международного чемпионата
«CASE-IN»
«Дверь - как источник энергии».
Кейс 5. Альтернативные источники электроэнергии в Нижегородской области.
Авторы работы:
Бузуев Сергей
Рыжевская Екатерина
Силаева Алина
Малышева Мария
Угарова Анна
Научный руководитель:
Карлина Елена Николаевна
Г.
Оглавление
Вводная часть3
Основная часть5
1.Концепция, положенная в основу проекта 5
2.Конструкция генератора 9
3. Экономический расчёт 12
4. Экологическая безопасность и преимущества 14
Заключение15
Список используемых материалов16
Вводная часть
На сегодняшний день перед человечеством стоит ряд глобальных проблем, требующих немедленного решения. Одной из таких задач является рационализация использования исчерпаемых природных энергоресурсов.
Приоритетным направлением в развитии новых технологий является разработка альтернативных источников энергии. Энергоэффективность и энергосбережение являются важными направлениями энергетической политики большинства стран мира. Это обусловлено исчерпанием невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов, отсутствием реальных альтернатив их замены, наличием рисков и значительных затрат при их производстве и транспортировке.
|
|
|
Развитые страны мира, которые достигли значительных успехов в решении проблем энергоэффективности, продолжают поиск новых источников энергообеспечения. Многие из них успешно применяются в настоящее время. Энергия ветра, приливов, солнца и геотермальные источники ─ успешно используются и преобразовываются людьми в электроэнергию. Но это «официальные альтернативные источники энергии».
В настоящее время, существуют сотни теорий и разработок по созданию и использованию необычных альтернативных источников энергии. Одним из направлений развития таких технологий, с нашей точки зрения, может являться использование энергии механических колебаний, например колебаний двери. Открывая и закрывая двери, люди вырабатывают огромное количество энергии, которую можно использовать. Нам пришла идея о создании генератора для получения электрической энергии за счет колебаний, который не будет опасен для общества и окружающей среды. При создании устройства мы руководствовались тем, чтобы этот прибор имел не дорогой, легко создаваемый материал. Чтобы в масштабном плане наш генератор имел свою ценность, серьезно не влияя на экономику. В результате работы над проектом были поставлены цели и задачи исследования.
|
|
|
Объект исследования: система взаимодействия «человек - устройство» в помещении.
Предмет исследования: процесс открытия-закрытия двери помещения с точки зрения возможности выработки энергии.
Цель исследования: изучить возможность преобразования энергии открытия-закрытия двери в электрическую энергию.
Задачи проекта:
1. Провести наблюдения за процессом открытия - закрытия двери, установить его продолжительность и периодичность;
2. Разработать устройство, преобразующее энергию механических (колебательных) движений двери в электрическую энергию;
3. Разработать схему преобразования механической энергии в электрическую;
4. Рассчитать выработку электроэнергии разработанным устройством в течение суток и возможность ее использования для дежурного освещения помещения;
5. Изучить экономическую и экологическую целесообразность использования данного устройства.
Предполагаемый результат: сокращение потребления энергии в школе.
Проектный продукт: тематическая презентация с описанием устройства.
Основными источниками по теме стали: учебная литература, интернет ресурсы.
Методы работы: теоретический и практический.
|
|
|
Работа состоит из введения, основной части и заключения.
Основная часть
Концепция, положенная в основу проекта
Изучив литературу по проблеме исследования, нами была выдвинута
гипотеза: периодические движения двери при её открывании - закрывании могут быть преобразованы в электрические сигналы, аккумулированная мощность которых будет достаточна для обеспечения дежурного освещения лестниц в школе в ночное время, что сэкономит бюджет школы на освещение.
Технический результат проекта состоит в получении электрического тока за счет использования колебательного процесса между двумя расположенными рядом элементами: электромагнитной катушки и постоянного магнита, которые представляют собой генератор электрической энергии, работа которого основана на законе электромагнитной индукции и возникновении электромагнитной силы. Т.е. концепция, положенная в основу проекта – использование электромагнитной индукции - явления возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур.
Электромагнитная индукция:
Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
|
|
|
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем 29 августа 1831 г.
Опыты показывают, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции – магнитного потока. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, при этом может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Объяснения возникновения индукционного тока
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
- источник – переменное магнитное поле;
- обнаруживается по действию на заряд;
- не является потенциальным;
- линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.
Если контур состоит из N витков, то ЭДС индукции:
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:
При движении проводника длиной l со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B⃗ ЭДС электромагнитной индукции равна:
где α – угол между векторами B⃗ и v ⃗ .
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
· в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
· в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
| рис.1 |
Конструкция генератора
Генератор — (лат. Generator «производитель») электрическая машина, преобразующая какой-либо вид энергии (химическую, тепловую, световую, механическую) в электрическую. В дальнейшем нас интересует преобразование механической энергии в электрическую.
Генераторы, работающие на энергии открывания и закрывания двери известны давно. Об этом, например, подумали инженеры компании Fluxxlab и на выставке Greener Gadgets представили на суд публики устройство, которое преобразует механическую энергию, полученную в результате круговых движений вращающейся двери в электричество. Дверь в данном случае становится обычной турбиной, которую приводят в действие многочисленные покупатели торговых центров и магазинов.
В школах использование подобных дверей не соответствуют нормам пожарной безопасности. Поэтому мы решили для получения электрической энергии использовать генератор, укрепленный на обычной двери.
Конструкция нашего генератора простейшая и не требует больших затрат. Для реализации предлагаемого генератора достаточно двух вещей. Это переменное магнитное поле – постоянные магниты (неодимовые), укрепленные на легко колеблющейся консоли – пружине, чувствительной к малейшим колебаниям и провод, в котором это поле будет наводить (создавать) электрический ток благодаря закону электромагнитной индукции Фарадея, т.е катушка. Частота колебаний магнитов - примерно 2-4 Герца (2-4 полных колебания в секунду).
Консоль для крепления магнитов, должна обладать достаточной гибкостью и упругостью, чтобы механическое движение при открывании и закрывании двери, легко приводили бы консоль с укрепленными на нее магнитами в колебательное движение. Но при этом, материал консоли должен выдерживать большое число колебаний. Такими свойствами, например, обладает подвес для профиля рис.2:
| рис.2 |
Помещается генератор в корпус, например, из плексигласа или текстолита (рис.3) и укрепляется на профиль двери (рис.4), либо (если позволяет конструкция двери) встраивается в сам профиль.
| рис.3 |
| рис.4 |
При открывании-закрывании двери, пружина генератора совершает колебательные движения, при этом магниты, укрепленные на пружине с двух сторон, приближаясь к катушкам и удаляясь от них поочередно, вызывают в них возникновение индукционного электрического тока малой мощности.
Чтобы генератор мог что либо заряжать, или можно было использовать его энергию напрямую, необходимо его подключить к выпрямителю и фильтру. Например, вот такому (рис.5).
рис.5
Далее генератор подключается к аккумулятору (рис.6), и можно использовать энергию для освещения лестниц.
| рис.6 |
Экономический расчёт
В нашей школе промежутки времени наиболее интенсивного движения: утро, перемены, окончание уроков.
В ходе наблюдения за процессом открытия-закрытия двери, было установлено, что в течение наблюдаемого времени - 105 мин., двери открывались и закрывались 3614 раз.
| Периоды Характеристики | Начало учебного дня | Перемены | Конец учебного дня |
| Продолжительность (мин.) | 20 | 70 | 15 |
| Количество открывания- закрывания двери | 450 | 2784 | 380 |
| Всего | 3614 | ||
Каждое открывание - закрывание двери, вызывает колебания ротора генератора (магнита) частотой 2-4 Гц (число колебаний в секунду). При этом в статоре (катушке) возникает ток силой 20мА .
Если на 3 двери установить 3 генератора, то можно рассчитать количество энергии, полученное данными генераторами в течение учебного дня:
6*3614*3Гц*20мА=1301040мА= 1301А
Для освещения лестниц в ночное время достаточно 100 светодиодов с мощностью потребления 2А.
Мы рассчитываем, что для их работы в течение 12 часов, будет достаточно аккумулятора емкостью 24Ah. Для зарядки такого аккумулятора 24Ah и напряжением 6В достаточно 34-40 минут, а у нас генераторы работают 105 минут.
Значит, что в течение учебного дня, количество тока, вырабатываемого генераторами, будет достаточно для зарядки аккумулятора.
Мы рассчитали, сколько энергии потребляет каждая люминесцентная лампа мощностью 36 Вт и стоимость этой энергии:
| 1) | Потребляемая мощность | 36 Вт:1000=0,036КВт |
| 2) | В день | 0,036 КВт ∙ 12 = 0,432 КВт |
| 3) | В месяц | 0,216 КВт ∙ 30= 12,96 КВт |
| 4) | Стоимость энергии за месяц | 12,96 КВт ∙ 6,91р. = 89,55 р. |
| 5) | Стоимость энергии потребляемой 6 лампами | 6 ∙ 44,78р. = 537,32 р. |
Чтобы оценить окупаемость нашего проекта, мы рассчитали, стоимость генератора с аккумулятором:
неодимовый магнит – 550р.(10шт);
катушка индуктивности- 206 р.*6=1236р.
аккумулятор – 2664р.
крепление – 100р.
подвес для профиля - 30р.
текстолит ПТ 3 х1000х2000 – 335 р.
Итого: 4915р.
Рассчитываем, что срок окупаемости комплекта, состоящего из трех генераторов, для трех дверей составит примерно 9 месяцев.
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 150; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!