Презентація  посібника для вчителів фізики: 

«Саморобні прилади з фізики» 

 

V частина  Перелік статей

•            Вступ;

•            Правила безпеки при роботах з електросхемами;                                              

•            Демонстрація генератора постійного струму;

•            Демонстрація генератора змінного струму;

•            Стенд для проведення лабораторних робіт- вимірювання постійного         струму при послідовному, паралельному та змішаному з'єднанню опорів;   •    Демонстрація роботи електродвигуна постійного струму;

•            Демонстрація роботи електродвигуна змінного струму.

  

                                                    Вступ 

   Для успішного викладання фізики в школі необхідно добре обладнаний кабінет. На жаль, далеко у всіх школах є повний комплект необхідного обладнання. Деякі прилади  можливо замінити саморобними, зробленими з підручних матеріалів на уроках праці, або в гуртку юних електротехніків, радіоконструкторів. Автор пропонує 5 приладів, які можуть бути корисними при проведенні дослідів з фізики. 

Для  безпеки учнів при виконанні робіт в гуртках і проведенні лабораторних робіт в школі їм необхідно вивчити «Правила безпеки при роботах з електросхемами», що також приведено і в цій частині посібника для вчителів фізики.

 

 

              Правила безпеки при роботах з електросхемами

 

  Виготовляючи, налагоджуючи і експлуатуючи електронні саморобки, вам постійно доводиться мати справу з електричним струмом. Не думайте, що це завжди безпечно – щонайменше недотримання запобіжних заходів може призвести до неприємних і навіть трагічних наслідків. Ось чому важливо знати про дії струму на організм людини і робити все можливе, щоб уникнути ураження струмом.

   Встановлено, що струм близько 0,01 А вже викликає роздратування нервової системи і навіть судоми. Якщо ж через тіло людини протікає струм 0,03 А,  м'язи можуть втратити здатність скорочуватися, а при струмі 0,06 А настає параліч дихальних органів. Смертельним вважається струм близько 0,1 А. Розрахунковий опір людини 1 кОм, тобто вже при напрузі 100 В через людину буде протікати струм, згідно закону Ома: 100 В : 1000 Ом = 0,1 А; це вже смертельно небезпечний  струм. Електромережа не признає неуважного відношення до себе. Пол в кімнаті, не повинен бути сирим, чи вологим.    Відомо, що при однаковій напрузі через провідник з меншим опором потече більший струм, і навпаки. Так і з людиною. У одного електричний опір тіла великий і його може тільки злегка «вдарити» при торканні проводу, що перебуває під напругою. А іншого, в цьому випадку паралізує.

   Опір тіла людини залежить від вологості його шкіри в даний момент, стану нервової системи, втоми і може змінюватися в сотні разів, коливаючись від одиниць до сотень кілоом. Варто людині з мінімальним опором потрапити під напругу електромережі 220 В, підведену до розеток, – і через його тіло потече струм, який виявиться смертельним. Безпечним для людини в звичайних кімнатних умовах буде будь-яке джерело напругою до 42 В.    Має значення і шлях струму. Найбільш небезпечний – від руки до руки, оскільки він пролягає через область серця. Менш небезпечний шлях права рука – ліва нога, а потім права рука – права нога. Недарма досвідчені інженери, перевіряючи установки з небезпечним для життя напругою, намагаються тримати ліву руку вільної або зовсім прибирати її в кишеню, працюючи в напруженій ситуації тільки правою рукою.

   Хоча на зміну ламповим конструкцій з високовольтною анодною напругою давно прийшла транзисторна електроніка з низьковольтним живленням, небезпека ураження електричним струмом залишилася. Ви піддаєтеся їй, включаючи паяльник, випрямляч, потужний підсилювач, або іншу подібну конструкцію. Уже тут потрібно пам'ятати про запобіжні заходи та тримати вилку так, щоб пальці не торкалися її металевих штирів. А якщо мережевий шнур в якомусь місці перетерся і проглядає мідна жила, терміново оберніть це місце ізоляційною стрічкою або замініть шнур.

    У конструкціях, що живляться від мережі через роздільний понижувальний трансформатор, небезпечна напруга буде на виводах вимикача і утримувача запобіжника, а також виводах первинної обмотки трансформатора. Ці виводи після підпайки провідників захистіть відрізками полівінілхлоридної трубки або ізоляційною стрічки. Вимикач живлення в цьому випадку повинен бути розрахований на мережеву напругу і споживаний конструкцією струм і мати хорошу ізоляцію між виводами і ручкою (у більшості вимикачів-перемикачів вона металева). Природно, що жоден з мережевих дротів не повинен з'єднуватися із загальним проводом конструкції.

    Особливу небезпеку становлять конструкції з безтрансформаторним живленням, або конструкції, в яких за умовами роботи загальний провід гальванічно з'єднаний з мережею (наприклад, в деяких пристроях на мікросхемах, що містять цифрові газорозрядні індикатори). У цьому випадку корпус конструкції бажано виготовити з ізоляційного матеріалу, а якщо це неможливо, ретельно ізолювати від металевого корпусу змінні резистори, перемикачі та інші органи управління (їх можна встановлювати на монтажній платі всередині корпусу, а до осі прикріплювати подовжувальну втулку з ізоляційного матеріалі). На них треба надіти ручки з хорошого ізоляційного матеріалу. Гвинти кріплення ручок не повинні виступати назовні. Металевий корпус ні в якому разі не можна поєднувати з загальним проводом конструкції. Монтаж всередині подібного корпусу повинен бути виконаний так, щоб ні один із виводів деталей або кінців з'єднувальних провідників не міг торкнутися корпусу.

   Перевіряючи в мережних конструкціях режим роботи деталей, підключайте один з щупів вимірювального приладу до загального проводу заздалегідь, до включення конструкції в мережу (особливо це відноситься до пристроїв з безтрансформаторним живленням). При необхідності замінити деталь, або перепаяти провідники знеструмленої конструкції- виймайте вилку з розетки, а також розряджайте конденсатори великої ємності в ланцюгах живлення і конденсатори, що виконують роль гасячих резисторів в безтрансформаторному випрямлячі, через резистор опором 5 ... 10 кОм.

   Перед початком включення саморобки в електромережу перевірте омметром якість ізоляції між штирями мережевої вилки і корпусом конструкції. Якщо воно менше 10 МОм при якій-небудь (перевірте обидві!) полярності підключення щупів омметра, відшукайте несправність і усуньте її. Таку перевірку робіть періодично.

   Під час роботи конструкції не торкайтеся руками до виводів її деталей, а якщо потрібно підібрати режим, наприклад, підстроювальним резистором, користуйтеся викруткою з хорошою ізоляційної ручкою. В жодному разі не втомленим – електричний опір такого організму знижений, увага ослаблена, реакція уповільнена. Конструкцію, яку необхідно вмикати в електромережу; вирпрямлячі, понижувальні трансформатори та інше, необхідно використовувати в закритому вигляді. Радіоаматорам- початківцям бажано робити конструкції з живленням від низької напруги 1,5….24 В і живити їх від батарей, або випрямлячів. Обережно треба поводитись з трансформаторами: вони можуть підключатись до низької напруги, а на вторинних обмотках може наводитись висока напруга- сотні і тисячі вольт. Бережно потрібно поводитись з акумуляторами і не допускати короткого замикання його вихідних клем- при цьому може виникнути великий струм і провідник може вмить розплавитись і перегоріти.

         При роботі з електропаяльником необхідно бути обережним і уникати доторкання до стержня електропаяльника, температура якого може досягати 280…300  градусів. Корпус електропаяльника також має високу температуру. Електропаяльник необхідно ставити на підставку з негорючого матеріала. Слід уникати доторкання до розплавленного припоя, чи каніфолі. Якщо при необачному користуванні трапився опік, то уражену ділянку необхідно змастити мазью- бальзамом «Рятівник». При розпаюванні плат від різної радіоапаратури припой з жала паяльника слід струшувати обережно, щоб не розбризгувався і не попав на руку.  Електропаяльники в робочому стані необхідно тримати в зоні впливу витяжної вентиляції. Необхідно користуватись електропаяльниками на 36 В, або 42 В.  Саморобні конструкції необхідно підключати до джерел живлення через запобіжники. Перед подачею напруги на зібрану схему слід ще раз перевірити првильність з’єднань, перевірити правильність підключення полярності оксидних конденсаторів. В разі неправильного підключення оксидних конденсаторів- вони можуть «взірватись»; при подачі живлення на схему.    

   Дотримання Правил безпечної роботи, є обов'язковим для кожного радіоаматора, учня. Увага- залог успіху.

 

 Література:

1.   Правила безпеки експлуатації електроустановок споживачів.

http//do.sc.ukrteltcom.net/LearningSpace5/Courses/Oxorona/selfaccess/pbee. 

2.   Правила технічної експлуатації споживачів електроустановок.

Затверджено: Наказ Міністерства палива та енергетики України 25.07.2006 № 258.

3.   Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів  Затверджено: Наказ Держнаглядохоронпраці від 09.01.98 № 4

4.   Співавтори: Бабин Дмитро Святославович, вчитель фізики;  Бабин   

        Святослав  Філатович, керівник гуртка«Радіоконструкторів»; смт 

        Кельмеці, Чернівецької обл., Україна;

        Інтернет  «Правила безпеки при роботах з електросхемами»

          https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/

 

                    Гальванічна батарея з використанням яблук

 

     Виготовити таку гальванічну батарею дуже просто – для цього необхідно:

  

•  шість яблук, недостиглих;

•  шість смужок з листової міді розміром 11 × 60 мм;

•  шість смужок з листового заліза оцинкованого розміром 11 × 60 мм;

•  провідники монтажні- п’ять провідників довжиною 100 мм і два провідника    довжиною 200 мм;

•  світлодіод надяскравий- білого кольору, або світлодіод червоного кольору    типу АЛ307БМ; 

•  Резистор на 47 Ом, потужністю 0,25 Вт;

•  Гвинти М3, довжиною 6…7 мм- 12 шт.;

•  Гайки М3- 12 шт.;

•  Дриль ручна;

•  Свердло діаметром 3,2 мм;

 

    Конструкція гальванічної батареї досить проста. Просвердлюємо отвори на кінцях всіх смужок. З’єднуємо провідниками попарно смужки листової міді з смужками листового заліза оцинкованого- всього п’ять пар. З’єднуємо провідниками світлодіод – анод світлодіода до смужки з міді, а катод до смужки заліза оцинкованого. Підготовлені матеріали показані на фото 1. У кожне з яблук, на відстані 10…12 мм вставляємо металеві смужки, як це показано на фото 2. І в результаті отримали батарею з шести послідовно ввімкнених гальванічних елементів. Як показує експеримент,  така гальванічна батарея без навантаження забезпечує напругу 3,8 В. Цієї напруги досить для живлення світлодіодів.  Слід зауважити, що чим кисліші яблука, то вихідна напруга буде більшою. Як показує експеримент, світлодіод світить в продовж семи суток (168 годин). Спочатку яскравість світіння значна, що видно на фото 2, а з часом яскравість світіння зменьшується.  Світлодіод ввімкнений через резистор з опором 47 Ом (послідовне ввімкнення). При бажанні від «яблучної батареї» можливо живити і економічний радіоприймач, який споживає струм до 6…7 мА. Якщо неправильно підключити світлодіод, відносно полярності, то він світити не буде. Зазвичай у світлодіода «прапорець» це катод, а «стержень»анод. Подавати «+» потрібно на анод, а «-» на катод. Як показує практика, замість яблук можна використати груші, айву, сливи, абрикоси і навіть картоплю. Це значно дешевше ніж використання лимонів, апельсинів, мандаринів.

                    Гальванічна батарея з використанням яблук

 

 

   Фото 1

 

       Фото 2

 

Автор Бабин Дмитро Святославович Джерело: Інтернет «Прості досліди з фізики в домашніх умовах»  https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

 

               Демонстрація генератора постійного струму

  

    Принцип роботи генератора зводиться до того, що прилад перетворює механічну енергію в електричну: в основі роботи цього технічного приладу лежить принцип електромагнітної індукції. Як джерело механічної енергії може бути використано будь-яке зусилля фізичного типу: обертання ручки агрегату в ручну; від крильчатки що обертається від вітру, води і т. д..  Електродвигун з магнітами в статорі може бути перетворений в генератор. Адже обидва пристрої використовують ЕРС індукції, як основу своєї роботи. Так в двигуні на ротор подають електричний струм, який, створюючи магнітний потік, відштовхується від полюсів магніту статора, здійснюючи обертальний рух.

Якщо ж вал двигуна обертати з певною швидкістю, в обмотках якоря почне наводитися ЕРС індукції і потече струм. Для демонстраційного генератора було взято електродвигун типу MXN-13FB11C (виробник не відомий)), але можливо використати і інші електродвигуни, наприклад: електродвигун типу RF- 130CH- 07570 (MADE IN CHINA).

Щоб надати достатні оберти генератору використано блок з шестернями з передачею  1 : 60, таким чином вдалось отримати від генератора ±9 В при навантаженні ланцюгом: світлодіод і резистор з опором 430 Ом. Як показано на схемі Рис. 1 використано два світлодіоди, що дозволило демонструвати зміну вихідної полярності в залежності від напрямку обертання якоря генератора. В схему ввімкнені стабілітрони VD1, VD2 для захисту світлодіодів від зворотної напруги. Якщо якір обертати за часовою стрілкою, то буде світити світлодіод HL2- червоного кольору, а якщо обертати якір проти часової стрілки, то буде світити світлодіод HL1- зеленого кольору. За допомогою запропонованого пристрою можливо провести лабораторну роботу по вимірювання постійної напруги на виході генератора, підключивши вольтметр до гнізд Гн 1, Гн 2.       

 

   Загальний вигляд генератора постійного струму з підключеними світлодіодами показано на Фото 1. На Фото 2 показано пристрій при демонстрації роботи генератора при обертанні за часовою стрілкою- світить червоний світлодіод.

 

             

                                       Фото 1.                                                  Фото 2.

 

Автор: Бабин Дмитро Святославович Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

 

 

 

 

                       Демонстрація генератора змінного струму

    В першому варіанті, описаному на сайті,  генератор- індуктор підключався до електричного дзвінка. В процесі експериментів було виявлено, що генератор- індуктор можливо використати і для живлення світлодіодної лампи з платою на 10-ть світлодіодів, ввімкнених послідовно. Генератор- індуктор взято з телефонного апарата типу ТМ – 400 (БЕЛОГРАДЧИК). В принципі, можливо використати також генератор- індуктор від польового військового телефонного апарата ТА-57. Додатково необхідно зробити драйвер який представляє собою випрямляч змінного струму (мостова схема) з згладжувальним фільтром. Генератор- індуктор виробляє частоту 18-21 Гц і щоб не були помітно мерехтіння світла необхідно застосувати  в фільтрі конденсатор ємністю 200 мкф. Якщо у фільтрі використати конденсатор ємністю 2200 мкф, то світлодіоди будуть світити протягом 30…40 сек навіть після того, як перестали обертати якір генератора. Спочатку світлодіоди горять яскраво і поступово зменшується яскравість. З таким конденсатором світлодіоди починають світитись через 4…5 сек. після початку обертання якоря, при цьому напруга на  конденсаторі С4 буде поступово збільшуватись і досягне значення 30 В.  Схема драйвера приведена на Рис. 1. Конденсатори С1, С2, С3- грають роль баластного реактивного опору і обмежують струм через світлодіоди до 30 мА. З виготовленим пристроєм можливо провести лабораторну роботу по вимірюванні постійної напруги, яка подається на ланцюг з 10-ти світлодіодів. Подібний драйвер можливо використати при живленні світлодіодної лампи від електромережі 220 В, але сумарна ємність баластних конденсаторів має бути меншою, всього 0,33 мкФ, і з робочою напругою 400 В.

 

Зовнішній вигляд пристрою для демонстрації генератора змінного струму показано на фото 1.

 

Фото 1.

 

   Вигляд пристрою після закінчення демонстрації- світіння світлодіодів за рахунок енергії накопленої конденсатором С4-   показано на фото 2.

 

 

Фото 2

 

Автор: Бабин Дмитро Святославович Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

 

 

 

 

Стенд для проведення лабораторних робіт- вимірювання постійного струму при послідовному, паралельному та змішаному з'єднанню опорів

 

   Кабінети фізики в школах, професійних училищах комплектують амперметрами на 2 А, 1 А, 0,5 А. При використанні таких амперметрів при лабораторних роботах приходиться застосовувати низькоомні опори (реостати) і при цьому необхідне досить потужне джерело живлення. Якщо немає потужних блоків живлення або акумуляторів на 6, 12 В то можливо такі лабораторні роботи провести з використанням елементів типу АА, увімкнувши послідовно чотири елементи. Для більш тривалого проведення лабораторних робіт по підтвердженню закону Ома доцільно проводити  з малими струмами до 200 мкА. Для цього необхідно використати мікроамперметр на 100 мкА або 200 мкА. Зрозуміло, що для отримання таких малих струмів необхідно використати високоомні опори (десятки і сотні кОм). Для зменшення часу на виконання лабораторної роботи доцільно виготовити стенд в якому розміщено мікроамперметр та відсік з чотирма елементами типу АА. Для збільшення варіантів лабораторних робіт зроблено відводи від батареї з 2-х елементів (3 В), від батареї з 3-х елементів (4,5 В), від батареї з 4-х елементів (6 В). Для проведення лабораторних робіт приготовлено послідовне з’єднання декількох опорів (2 варіанта), паралельне з’єднання опорів (2 варіанта), змішане з’єднання опорів (2 варіанта). Слід мати на увазі, що опір  високоомних резисторів має значне відхилення від вказаного номіналу, тому необхідно перевірити величину опору резисторів цифровим омметром і вказати дійсну величину опору біля резистора. 

     Таким чином лабораторна робота зводиться до підключення досліджуваної ланки до стенду; подавши напругу згідно замовлених варіантів: 3 В; 4,5 В; 6 В. В положенні перемикача SA1 – «V»  вимірюється напруга подана на ланку з певним опором при підключеній ланці до джерела живлення, а в положенні перемикача SA1 – «А»; мікроамперметр вмикається послідовно з досліджуваною ланкою і вимірюється струм, що протікає через ланку. Для стенду використано мікроамперметр на 200 мкА типу М4206. Напруга подана на ланку при проходженні струму через опір ланки вимірюється вольтметром на 10 В (використано мікроамперметр на 200 мкА) – показники мікроамперметра необхідно ділити на 20. Так для прикладу, якщо мікроамперметр, в режимі вимірювання напруги, показує 120; то це означає, що вимірювана напруга становить 6 В.   Струм вимірюється в положенні перемикача SA1 – «А», безпосередньо по шкалі приладу. Учні по відомим формулах обчислюють загальний опір ланки і по закону Ома вираховують струм, що протікає через ланку, і порівнюють з даними вимірювання. Схема стенду приведена на рис. 1.

 

 

 

    Як видно по схемі рис. 1, одночасно підключається двома провідниками з ножевими штекерами ланка з опором і додатковий провідник для вимірювання напруги («+» до вольтметра підключено по схемі).

 Головка мікроамперметра зашунтована зустрічно-паралельно включеними діодами, чим захищено прилад в разі перевантаження. Слід мати на увазі, що загальний опір ланки повинен мати опір не менший за 30 кОм. Якщо використовувати мікроамперметр на 100 мкА, то загальний опір ланки повинен мати опір не менший за 60 кОм.  Вольтметр можливо використовувати окремо для вимірювань постійної напруги від 0 до 10 В. Якщо виникне необхідність замірювати напругу до 20 В, то необхідно напругу на вольтметр подавати через додатковий резистор на 50 кОм – перемикач SA1 при цьому повинен бути в положенні «V». Мікроамперметр також можливо використати окремо, підключившись до гнізд «+6 V» і «–мкА» – перемикач SA1 при цьому повинен бути в положенні «А». На окремі гнізда виведено напругу ±6 В, що при необхідності можливо використовувати для різних цілей: демонстрація роботи електродвигунів постійного струму, підключення світлодіодів (через додатковий опір), демонстрація односторонньої провідності напівпровідникових діодів, та інше. Габаритні розміри стенду 80 × 70 × 120 мм.  Фото стенду і підготовлені ланки показані на фото 1. Практично проведення вимірювань за допомогою стенда з однією ланкою займає 3…4 хвилини (з кресленням схеми включення резисторів в ланці і запису дійсного опору резисторів). Для проведення лабораторної роботи необхідно виготовити три стенда. Як показує практика, одного стенда досить на групу з 10…12 учнів. Стенди можуть виготовити учні на факультативних заняттях, або на гуртку «Радіоконструкторів».  

 

                                                                    Фото 1

  Найкращий варіант – це використання мікроамперметрів типу М265М з зеркальною шкалою на 200 мкА, або на 100 мкА.  Ці мікроамперметри мають більші розміри, тому і стенд з ними буде більш габаритний, зате похибка при вимірюванні значно менша (одна поділка має 2 мкА), ніж в мікроамперметра типу М4206 (одна поділка має 10 мкА)

 

Автор: Бабин Дмитро Святославович Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Демонстрація роботи електродвигуна постійного струму

 

    Електродвигуни постійного струму широко використовуються в сучасній техніці. Широке застосування двигуни постійного струму знайшли в транспорті. Вони встановлюються в трамваях, електричках, електровозах, паровозах, теплоходах, самоскидах, кранах, електросамокатах, електровелосипедах, крісло-скутер з електроприводом, 

електромобілях  і т.д. Крім того, їх використовують в інструментах, комп'ютерах, іграшках і рухомих механізмах. Часто їх можна зустріти і на виробничих верстатах, де потрібне регулювання частоти обертання робочого вала в широкому діапазоні. Електродвигуни постійного струму оточують нас кожен день. Ними оснащуються також електроінструменти, побутові прилади, що працюють від батарейок або акумуляторів. Електродвигуни - це машини, здатні перетворювати електричну енергію в механічну. В даній статті мова піде про двигуни постійного струму, які скорочено називаються ДПС.    Першопрохідцем в історії створення електричних двигунів став М. Фарадей. Створити повноцінну робочу модель він не зміг, зате саме йому належить відкриття, яке зробило це можливим. У 1821 році він провів дослід з використанням дроту, по якому проходив струм, поміщеного в ртуть у ванну з магнітом. При взаємодії з магнітним полем металевий провідник починав обертатися, перетворюючи енергію електричного струму в механічну.

   Британський фізик, Вільям Стёрджен, публічно продемонстрував електродвигун на постійному струмі в Марті 1833 в Аделаїдського галереї практичної науки в Лондоні. Винахід вважається першим електродвигуном, який можна було використовувати

   У 1834 році був створений перший електричний двигун постійного струму, який розробив і створив російський учений Б. С. Якобі. Саме він запропонував замінити зворотнопоступальний рух вісі його обертанням. У його моделі два електромагніти взаємодіяли між собою, обертаючи вал. У 1839 році він же успішно випробував човен, оснащений ДПС. Як і інші види електродвигунів, ДПС відрізняється надійністю і екологічністю. На відміну від двигунів змінного струму у нього можна регулювати швидкість обертання валу в широкому діапазоні, частоту, до того ж він відрізняється легким запуском. Двигун постійного струму можна використовувати як двигун і як генератор. Також у нього можна міняти напрям обертання валу шляхом зміни напрямку струму в якорі (для всіх типів) або в обмотці збудження (для двигунів з послідовним збудженням). Регулювання швидкості обертання досягається шляхом підключення в ланцюг змінного опору. При послідовному збудженні воно знаходиться в ланцюзі якоря і дає можливість скорочувати обороти в співвідношеннях 2: 1 і 3: 1. 

   Для двигунів з паралельним збудженням також використовуються реостати в ланцюзі якоря для зниження оборотів в межах 50%. В сучасних моделях двигунів використовуються електронні схеми, що дозволяють управляти швидкістю без значних втрат енергії. ККД двигуна постійного струму залежить від його потужності. Малопотужні моделі відрізняються низькою ефективністю з ККД близько 40%, тоді як двигуни з потужністю 1000 кВт можуть мати ККД, що досягає 96%.

    Двигун складається з нерухомої частини - статора або індуктора, рухомої частини - якоря і щіткоколекторного вузла. Індуктор може бути виконаним у вигляді постійного магніту, якщо двигун малопотужний, але частіше він забезпечується обмоткою збудження, що має два або більше полюсів. Якір складається з набору провідників (обмоток), закріплених в пазах. У простій моделі ДПТ використовувалися тільки один магніт і рамка, по якій проходив струм. Таку конструкцію можна розглядати тільки в якості спрощеного прикладу, тоді як сучасна конструкція - це вдосконалений варіант, який має більш складний пристрій і розвиває необхідну потужність.

    Принцип роботи двигуна постійного струму заснований на законі Ампера: якщо в магнітне поле помістити заряджену дротяну рамку, вона почне обертатися. Струм, проходячи по ній, утворює навколо себе власне магнітне поле, яке при контакті з зовнішнім магнітним полем почне обертати рамку. У випадку з однією рамкою обертання триватиме, поки вона не займе нейтральне положення паралельно до зовнішнього магнітного поля. Щоб привести систему в рух, потрібно додати ще одну рамку. В сучасних ДПС рамки замінені якорем з набором провідників. На провідники подається струм, в результаті чого навколо якоря виникає магнітне поле, яке починає взаємодіяти з магнітним полем обмотки збудження. В результаті цієї взаємодії якір повертається на певний кут. Далі струм надходить на наступні обмотки і т.д.

   Для поперемінної подачі струму в провідники якоря використовуються спеціальні щітки, виконані з графіту або сплаву міді з графітом. Вони грають роль контактів, які замикають електричний ланцюг на виводи пари провідників. Всі виводи ізольовані між собою і об'єднані в колекторний вузол - кільце з декількох ламелей, що знаходиться на осі вала якоря. Під час роботи двигуна щітки-контакти по черзі замикають ламелі, що дає можливість двигуну обертатися рівномірно. Чим більше обмоток має якір, тим більш рівномірно буде працювати ДПС.

   Для демонстрації роботи електродвигуна постійного струму використано електродвигун від дитячої пральної машини, конструкція якого має постійні магніти і якір з колектором. На фото 1. показано цей електродвигун не підключений до джерела живлення. 

 

 

 

                                                                    Фото 1

 На фото 2. показано електродвигун    в роботі при подачі на нього напруги ± 6 В від 4-х елементів типу АА. При зміні полярності подачі напруги двигун буде обертатися в протилежну сторону – це також можна продемонструвати. 

 

 

Фото 2

      На фото 1 показано також кулер, який також живиться постійним струмом, але в кулері двигун змінного струму і про нього буде описано в іншій статті.

 

Автор: Бабин Дмитро Святославович Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

 

 

 

 

 

 

 

            

              Демонстрація роботи електродвигуна змінного струму

 

    Електродвигуни змінного струму широко використовуються в сучасній, як в побутовому, так і в промисловому секторах. Такий пристрій отримав дуже широке поширення у всіх сферах життя. Завдяки електричним двигунам вдалося замінити у багатьох областях працю людини роботою машини. Використання двигунів змінного струму набагато більш поширене, ніж двигунів постійного струму. Двигуни змінного струму грають дуже важливу роль у повсякденному житті, починаючи від перекачування води в верхній резервуар і закінчуючи маневреним сучасним роботом. Основним фактором, який призводить до прийняття і широкого використання в різних областях, є його гнучкість і його величезна різноманітність, яка може відповідати практично будь-якого попиту. Річ в тому, що більшість електродвигунів змінного струму не мають колекторів і щіток і завдяки цьому мають велику надійність в роботі. Широке застосування двигуни змінного струму знайшли в мостових кранах. Крім того, їх використовують в інструментах, комп'ютерах, рухомих механізмах, в побуті.  

   Електродвигуни - це машини, здатні перетворювати електричну енергію в механічну. В даній статті мова піде про двигуни змінного струму, які скорочено називаються ДЗС. 

     Італійський фізик і інженер, Галілео Ферраріс в 1885 році, винайшов перший двофазний асинхронний електродвигун. Однак Ферраріс думав, що такий двигун не зможе мати ККД вище 50%, тому він втратив інтерес і не продовжував покращувати асинхронний електродвигун. Ферраріс першим пояснив явище обертового магнітного поля.

   Американець сербського походження, винахідник, Нікола Тесла в 1887 році, працюючи незалежно від Ферраріса, винайшов і запатентував двофазний асинхронний електродвигун з явно вираженими полюсами статора (зосередженими обмотками).    Російський електротехнік польського походження, Михайло Осипович ДолівоДобровольський в 1889 - 1891 роках, прочитавши доповідь Ферраріса винайшов ротор у вигляді "білячої клітки". Подальша робота в цьому напрямку призвела до розробки трифазної системи змінних струмів і трифазного асинхронного електродвигуна, який отримав широке застосування в промисловості і практично не змінився до нашого часу. 

  Основні типи електродвигунів.  

1.         Синхронні двигуни мають ротор  (підключений до навантаження), що обертається з тією ж швидкістю, що і швидкість обертання струму статора. Іншими словами, ми можемо сказати, що ці двигуни не мають ковзання по току статора. Іноді вони використовуються не для управління навантаженням, а замість цього діють як «синхронний конденсатор», щоб поліпшити коефіцієнт потужності локальної мережі, до якої вона підключена. Ці типи двигунів використовуються навіть в високоточних пристроях позиціонування, таких як сучасні роботи. 

2.         Асинхронні двигуни. Ці типи двигунів, як правило, використовуються в повсякденному житті, від перекачування води через верхній резервуар до живильних насосів котлів електростанції. Ці двигуни дуже гнучкі у використанні і відповідають різним потребам.

Асинхронні двигуни дуже важливі для багатьох галузей промисловості. Вони зазвичай використовуються для різних типів насосів, компресорів та діють як головні двигуни для багатьох машин. Трифазні двигуни, як правило, використовуються для високих вимог до потужності, таких як силові приводи для компресорів, гідравлічних насосів, систем кондиціонування повітря, іригаційні насоси і багато іншого.

3.         Однофазні двигуни, як правило, знаходять своє застосування в вимогах з низьким енергоспоживанням – побутових приладах, таких як стельові вентилятори, подрібнювачі змішувачів, переносні електроінструменти і т.д. 

4.         Двофазні електродвигуни дуже часто використовуються  в техніці. Як правило ці електродвигуни використовують однофазну електромережу, а друга фаза утворюється за допомогою зсува фази на 90⁰ за допомогою ємностей, тобто конденсаторів. Як приклад, електродвигун в програвачу грамофонних платівок, та інші.

  Для демонстрації взято двофазні асинхронні електродвигуни змінного струму. Так, електродвигун в кулері від коп’ютера це є двофазний електродвигун змінного струму. Фактично на нього потрібно подати постійну напругу, а вмонтований генератор виробляє змінний струм з різними фазами, який і подано на обмотки ротора.Котушки створюють магнітне поле, яке змушує ротор обертатися всередині магнітного поля, що створюється магнітом. Зазвичай на кулер подають ±12 В, але і від напруги ±6 В кулер також працює. На фото 1. показано кулер не підключений до джерела живлення, а на фото 2. – кулер в роботі.

 

          

                                     Фото 1.                                                               Фото 2.

    Слід мати на увазі, що при неправильній подачі полярності на кулер він не буде працювати. Справа в тому, що в кулері вбудована схема потребує правильної подачі полярності напруги. Частіше на червоний (оранжевий) провід подається «+», а на синій (зелений) «-».

   Асинхронним двофазним двигуном є також двигун типу ДИД-0,5. Ці двигуни використовуються в авіації, в космонавтиці, в приладах автоматики і мають дуже високу надійність. Вони мають три обмотки в статорі. На одну з обмоток подається змінна напруга постійно, а на інші обмотки при необхідності запуску двигуна в одну чи іншу сторону. На такий електродвигун необхідно подавати змінну напругу з частотою 400 Гц, а для демонстрації роботи електродвигуна, як показав експеримент, можна подати змінну напругу 6 В з частотою 50 Гц. Для отримання другої фази використано конденсатор з ємністю 16 мкФ. При натискуванні однієї кнопки – вісь двигуна обертається по часовій стрілці, а при натискуванні другої кнопки – проти часової стрілки. Друга фаза подається на допоміжні обмотки. На фото 3. показано електродвигун ДИД-0,5 підготовлений для демонстрації – потрібно тільки натиснути потрібну кнопку. Не складно виготовити і генератор на 400 Гц і включити двигун в штатному режимі; детально це описано в (1).

 

                                                                                                                          

Фото 3.

Література: 

1. Д. С. Бабын, «400-герцовый генератор для питания электродвигателей ДИД-0,5», журнал «Радиомир» №12, 2013 г., стр. 21, 22.

 

Автор: Бабин Дмитро Святославович Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/