Творческие проекты и работы учащихся

В процессе работы над индивидуальным проектом по физике «Униполярный двигатель» ученик 10 класса раскрыл понятие «униполярный двигатель» и «униполярная индукция», а также проследил связь между электричеством и магнетизмом, описал принцип работы униполярного двигателя и особенности этого механизма.

Подробнее о проекте:

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике «Униполярный двигатель» автор дает определение и описывает принцип работы самоподдерживающего генератора и униполярного, а также рассматривает планету Земля в качестве природного униполярного индуктора. Практическая часть исследования была проведена с целью на простейших устройствах понять, как работает униполярный двигатель.

Введение
1. Из истории развития униполярных двигателей.
1.1 Открытия Майкла Фарадея.
1.2 Парадокс Фарадея.
1.3 Никола Тесла.
1.4 Самоподдерживающий генератор.
2. Принцип действия униполярного генератора.
3. Эксперимент.
Заключение
Литература

Введение

источник тока (пальчиковая батарейка), магнит, медные проводники, соединительные провода, вольтметр (амперметр).

Инструкция (процесс сборки и результат)

Поместить магнит на отрицательный контакт батарейки. Используемый в примере магнит 1,25 см в диаметре и 0.65 см толщиной. Подойдет любой магнит похожего размера, но обычные керамические магниты слишком слабые, поэтому лучше использовать неодимовый.
Если проволока имеет изоляцию, то ее необходимо снять. Согнуть проволоку в любую понравившуюся форму, убедившись, что получившийся контур имеет хороший контакт с положительной клеммой батарейки и по окружности магнита. Придание проволоке красивой и функциональной формы требует определенного терпения. За основу можно взять формы приведенные на фотографиях.
Отбалансировать контур на батарейке и, внося в него изменения, добиться чтобы он вращался легко и быстро. Заряда батарейки хватит на несколько минут работы.

Опыт І. (Проведен согласно инструкции)

Результаты эксперимента:

При замыкании цепи наблюдалось быстрое вращение проволочной рамки по часовой стрелке.
При повороте магнита на 180 ̊ вращение рамки происходит против часовой стрелки.
Если поменять полюса батарейки при вращении рамки против часовой стрелки, то меняется и направление вращения.
При использовании пальчиковой батарейки типа ААА, опыт не удается, необходима более мощная батарейка типа АА.
Форма рамки не влияет на скорость вращения.
При использовании ферритового магнита опыт не удается, необходим сильный неодимовый магнит.

Объяснение: на свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле действует сила Лоренца, направление которой определяется правилом левой руки. В результате образуется пара сил, вращающих проводник. При недостаточно хорошем электрическом контакте и слабой батарейке или магните вращение не очень быстрое.

Шуруп с магнитом подвешен на положительном электроде батарейке. Шуруп намагничивается и прилипает к батарейке острием, один конец провода соединяется с минусом батарейки, второй конец приближаем к головке шурупа с магнитом. Как только контакт касается магнита, шуруп начинает быстро вращаться.

Вывод: хотя конструкция униполярного двигателя проста, для понимания его принципа работы надо хорошо знать теорию электромагнитных явлений

Заключение

Мне нравится заниматься техническими вопросами. Проведя данную работу, я узнал много нового и неожиданного о униполярном двигателе и генераторе, о применение этих устройств. Я столкнулся с практическими проблемами эксперимента: подбор деталей, изготовление рамок, планирование опытов, поиск информации, оформление отчета о работе.

Эта работа еще раз подтвердила, что научная теория и инженерная мысль неразделимы. Подобные безроторные и вообще униполярные двигатели и генераторы (которые я изучал) пока маломощны и имеют невысокий КПД. Но уже сегодня просматриваются области их применения, например, в приборостроении. Особенно привлекает то, что двигатель не имеет статора и реактивного момента. А кроме того, если эти двигатели и генераторы действительно изменят наше представление о магнитном поле, практическая ценность их может оказаться огромной.

Электродвигатели Elvem

Электродвигатели Elvem — электродвигатели производства Италии.

Двигатели с алюминиевым корпусом

Трехфазный однополярный – СЕРИЯ 6SM – 6SH – 6XM – 6XH – T2H
Трехфазный двуполярный – СЕРИЯ 6AP – 6AV
Однофазный однополярный – СЕРИЯ 6MY – 6MYH – 6MYT – 6MYTH – 6ML

В стандартный ассортимент входят изделия размером от MEC 56 до MEC 132. В алюминиевых электрических двигателях используются подшипники с защитной шайбой и долговечной смазкой типа 2RS, они отличаются компактной и линейной конструкцией, которая позволяет оптимизировать охлаждение и упрощает монтаж и техобслуживание; модульное соединение крепежных ножек позволяет установить двигатель с правосторонним или левосторонним цоколем; клеммную коробку можно повернуть, направив держатели кабелей в оптимальном направлении. Трехфазные однополярные двигатели с 2, 4, 6 полюсами мощностью от 0,75 кВт и выше отличаются высокой производительностью IE2.

Читать еще: Lancia thema двигатель 834 характеристики

Двигатели с чугунным корпусом

Трехфазный однополярный – СЕРИЯ 7SM – 7SH – 7XM – 7XH
Трехфазный двуполярный – СЕРИЯ 7AP – 7AV

В стандартный ассортимент входят изделия размером от MEC 160 до MEC 355. В чугунных двигателях установлены подшипники SKF открытого типа в смазочных камерах и они оснащены наружными тавотницами для периодического смазывания; с наружной стороны щитков маслораспределительные колпачки обеспечивают эффективную и надежную механическую защиту подшипников. Термодатчики с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) на обмотках позволяют следить за возможным перегревом (по одному датчику на каждую фазу). Крепежные ножки приварены к корпусу, чтобы обеспечить исключительную устойчивость; корпус является особенно прочным и его специальная конструкция обеспечивает превосходное рассеивание тепла и упрощает проведение работ по обеззараживанию; клеммная коробка также изготовлена из чугуна и ее можно повернуть, направив держатели кабелей в оптимальном направлении. Однополярные двигатели с 2, 4 и 6 полюсами отличаются высокой производительностью IE2.

Самотормозящие двигатели

Компактные самотормозящие ТИПА AT – тормоз постоянного тока серия 6AT – 6ATH – 7AT – 7ATH
Самотормозящие ТИПА ATK – тормоз постоянного тока
Самотормозящие ТИПА ATC – тормоз переменного тока серия 6ATC – 6ATCH – 7ATC – 7ATCH
Самотормозящие ТИПА 1ATC – тормоз переменного тока серия 1ATC

В стандартный ассортимент включены оси высотой от MEC 56 до MEC 280; самотормозящий двигатель изготовлен на базе стандартного двигателя, поэтому все основные показатели производительности и характеристики двигателя аналогичны обычным двигателям. Различия в изготовлении заключаются в типе используемого тормоза; помимо приведенной информации, мы предлагаем установить тормоза также на другие типы двигателей нашего производства.

Специальные варианты двигателей

Изготавливаемые нами электрические двигатели можно заказать в специальном исполнении; в большинстве случаев можно объединить более одного специального исполнения в одном двигателе; для получения дополнительной информации свяжитесь с нами.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Современные шаговые двигатели, гибридые либо ШД на постоянных магнитах, как правило, производятся с двумя обмотками (4 вывода), с двумя обмоткми и центральными отводами (6 либо 5 выводов) и с четырьмя обмотками (8-ми выводные ШД). Биполярные двигатели имеют две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Униполярные двигатели также имеют две по обмотки, но у каждой из них есть центральный отвод, что позволяет использовать для управления двигателем простой униполярный драйвер (т. е. переключать направление магнитного поля, создаваемого обмотками двигателя переполюсовкой половин обмоток двигателя). Иногда средние отводы могут быть объединены внутри двигателя, такой двигатель может иметь 6 или 5 выводов. В силу простоты униполярной схемы управления эти двигатели находят широкое применение в самых различнх областях промышленности.

Однако большинство драйверов предназначено для управления биполярными двигателями. При тех же габаритах биполярный шаговый двигатель обеспечивает больший момент по сравнению с униполярным.

Каким образом можно подключить 6-ти или 8-ми выводной мотор к биполярной системе управления и как при этом изменяются электрические характеристики двигателя?

6-ти выводные шаговые двигатели

Для подключения 6-ти выводного шагового двигателя к классическому биполярному драйверу может быть выбран один из двух способов — униполярное либо биполярное подключение обмоток двигателя.

Униполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на средних и высоких скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения — использовать центральный отвод.

Электрические характеристики двигателя — ток обмотки, сопротивление обмотки, статический крутящий момент, индуктивность обмоток и др. — в этом случае равны данным, приведенным в каталоге.

Биполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на низких скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения — биполярное.

Читать еще: Янмар дизельный двигатель характеристики

При таком типе подключения нужно уменьшить ток, подаваемый на обмотки двигателя в √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при последовательном включении обмоток требуемый ток — 1.4 А, то есть в 1.4 раза меньше.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R — именно оно приведено в каталоге). При последовательном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки возрастает в два раза (2R).

Потребляемая мощность при униполярном включении — I_{униполяр.} 2 * R

При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится I_{биполяр.} 2 * 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I_{униполяр.} 2 * R = I_{биполяр.} 2 * 2* R, откуда

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением ток, пропускаемого через обмотки. Но так как ток уменьшился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

Итак, характеристики ШД будут такими:

Параметр	Значение
I_{биполяр.}= 0.707 * I_{униполяр.}
Сопротивление обмотки, Ом	R_{биполяр.} = 2 * R_{униполяр.}
Индуктивность обмотки, мГн	L_{биполяр.} = L_{униполяр.}
Крутящий момент, кг×см	T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

8-ми выводные шаговые двигатели

Для подключения 8-ми выводного шагового двигателя (то есть двигателя с четырьмя обмотками) к классическому биполярному драйверу может быть выбран один из трех способов — униполярное, последовательное либо параллельное подключение обмоток двигателя.

Униполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на средних скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения — использовать лишь две из четырех обмоток.

Биполярное последовательное подключение

Наиболее эффективно для низкоскоростного диапазона рабочих скоростей двигателя.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Потребляемая мощность при униполярном включении — I_{униполяр.} 2 * R

При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится I_{послед.} 2 * 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I_{униполяр.} 2 * R = I_{послед.} 2 * 2* R, откуда

Итак, характеристики ШД будут такими:

Параметр	Значение
I_{биполяр.}= 0.707 * I_{униполяр.}
Сопротивление обмотки, Ом	R_{биполяр.} = 2 * R_{униполяр.}
Индуктивность обмотки, мГн	L_{биполяр.} = L_{униполяр.}
Крутящий момент, кг×см	T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

Биполярное параллельное подключение

Наиболее эффективно использование параллельного включения обмоток для высоких скоростей.

При таком типе подключения нужно увеличить ток, подаваемый на обмотки двигателя в √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при параллельном включении обмоток требуемый ток — 2.8 А, то есть в 1.4 раза больше.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R — именно оно приведено в каталоге). При параллельном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки уменьшаетсяв два раза (0.5 R).

Потребляемая мощность при униполярном включении — I_{униполяр.} 2 * R

При параллельнном включении обмоток потребляемая мощность становится 0.5 * I_{биполяр.} 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I_{униполяр.} 2 * R = 0.5 * I_{биполяр.} 2 * R, откуда I_{биполяр..}= I_{униполяр.} /√2, т.е.

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением величины тока, пропускаемого через обмотки. Но так как ток увеличился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

Униполярный генератор Фарадея

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Диск Фарадея, первый униполярный генератор

Принцип действия

На электроны, находящиеся в диске, действует Сила Лоренца, являющаяся векторным произведением напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником в результате вращения диска. Сила эта направлена вдоль радиуса диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем.

В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет:

чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе;

равномерность получаемого тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами;

большие собственные потери энергии из-за протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким проводящим токосъёмником по всему периметру диска;

Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов.

История диска Фарадея

В 1831 году Майкл Фарадей, открыв закон электромагнитной индукции, помимо прочих экспериментов, построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую — диск Фарадея. Это было чрезвычайно неэффективное устройство, однако оно имело значительную ценность для дальнейшего развития науки.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался. Наибольшее удивление же вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается следующей таблицей, в которой описаны различные комбинации из вращения и неподвижности частей установки, и восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита.

К настоящему времени разработано множнмтво промышленных моделей униполярных машин, эффективно используемых в различных областях человеческой деятельности.

1. Электромагнитная волна (в религиозной терминологии релятивизма — «свет») имеет строго постоянную скорость 300 тыс.км/с, абсурдно не отсчитываемую ни от чего. Реально ЭМ-волны имеют разную скорость в веществе (например,

200 тыс км/с в стекле и

3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью «Температура эфира и красные смещения»), разную скорость для разных частот (см. статью «О скорости ЭМ-волн»)

2. В релятивизме «свет» есть мифическое явление само по себе, а не физическая волна, являющаяся волнением определенной физической среды. Релятивистский «свет» — это волнение ничего в ничем. У него нет среды-носителя колебаний.

3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.

4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те «подтверждающие теорию Эйнштейна факты», которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Творческие проекты и работы учащихся