Проект по физике _Роль электромагнитной индукции в жизни человек. Роль электромагнитной индукции в жизни людей
 Скачать 4.63 Mb.
|
|
Районная научная конференция молодых исследователей «Шаг в будущее - 2019» Исследовательская работа на тему: «Роль электромагнитной индукции в жизни людей» Автор: Трашкова Валерия Дмитриевна, ученица 9 класса, Муниципального казенного общеобразовательного учреждения Болчаровская средняя общеобразовательная школа Научный руководитель: Змановский Леонид Владимирович, Учитель физики высшей категории Муниципального казенного общеобразовательного учреждения Болчаровская средняя общеобразовательная школа Ханты-Мансийский автономный округ-Югра, Кондинский район, п. Болчары - 2019 Роль электромагнитной индукции в жизни людей. Трашкова Валерия ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ 9 класс Аннотация. Уже два поколения родных в моей семье работают сфере электроэнергетики. В будущем мне хочется связать свою профессию с этой сферой, поэтому я увлекаюсь физикой. Особенно мне интересны темы связанные с электричеством, электромагнетизмом и его применением в реальной жизни. Именно поэтому меня заинтересовала тема «Роль электромагнитной индукции в жизни людей». А учитель физики предложил мне написать исследовательский проект на эту тему. Данная работа представляет собой исследование значения и роли электромагнитной индукции в жизни людей. Целью работы являлось изучить явление электромагнитной индукции и определить ее роль в жизни людей: в быту, в технике, в промышленности. Использованные в работе теоретические (анализ, сравнение, систематизация), практические (наблюдение, проведение демонстрационных опытов) и интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов) методы позволили решить задачи исследования. В ходе проделанной работы мы изучили явление электромагнитной индукции. Оказалось, что это явление активно используется в промышленности и в быту. На этом явлении основывается один из способов преобразования механической энергии в электрическую. Принцип работы электродвигателей пылесосов, фенов, миксеров, кулеров, электромясорубок, расходомеров (счетчиков) и прочих многочисленных приборов берет свое начало из этого явления. Также на этом явлении основывается радиовещание. Явление электромагнитной индукции играет не последнюю роль в медицине. Исследования атомов проходят при помощи синхрофазотронов, работающих на принципах явления электромагнитной индукции. В промышленности, помимо генераторов, используются трансформаторы. И это еще не все. Роль электромагнитной индукции в жизни людей. Трашкова Валерия ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ 9 класс План исследования. Однажды, придя домой, я обнаружила, что дома нет электричества, и моя жизнь в буквальном смысле остановилась. Я не могла посмотреть телевизор, зарядить мобильный телефон (батарея к концу дня уже разрядилась), подогреть себе ужин в микроволновой печи, вскипятить воду в электрочайнике, чтобы заварить чай или кофе. В кране не было воды, так как насосная станция не накачивала воду, то есть помыть посуду, постирать и погладить одежду я не могла, поскольку практически все бытовые приборы работают за счет электроэнергии. Компьютер предательски молчал, молчал и радиоприемник. Более того, на улице уже темнело, а света в доме не было, поэтому мне пришлось найти старую свечку и зажечь ее, чтобы хоть как-то осветить комнату. И тут я подумала, что всем нам, людям, живущим в XXI веке, крупно повезло, поскольку даже наши недалекие предки, жившие 300 или даже 200 лет назад, не имели возможности пользоваться всеми благами цивилизации, которые дало нам электричество. Всех этих благ цивилизации могло бы и не быть, если бы в 1831 году английский ученый Майкл Фарадей не сделал свое гениальное открытие явления электромагнитной индукции, которое позволило в промышленных масштабах вырабатывать электрический ток, так как были созданы генераторы электрической энергии, получившие широкое распространение во всех сферах человеческой деятельности. Открытие явления электромагнитной индукции Майклом Фарадеем принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники. Открытие электромагнитной индукции позволило провести электрификацию всей страны (школ, больниц, детских садов, учреждений объектов культуры, промышленности) и сделать жизнь людей более удобной, комфортной и насыщенной. Проблемой нашего исследования является поиск проявлений электромагнитной индукции в повседневной жизни и выяснение ее роли в жизни людей. Противоречия состоят в том, что с одной стороны электромагнитная индукция приносит практическую пользу людям, а с другой – отрицательно влияет на здоровье человека. Актуальность обозначенной нами проблемы заключается в том, что понятие электромагнитной индукции является одним из ключевых понятий в физике, электромагнитная индукция окружает нас повсюду и умение эффективно применять и использовать ее является одним из основных умений современного культурного и образованного человека, инженера, конструктора, ученого. Объектом исследования является электромагнитная индукция. Предмет исследования – применение электромагнитной индукции в жизни людей. Целью нашей работы является изучить явление электромагнитной индукции и выявить ее роль в жизни людей: в быту, в технике, в промышленности. В качестве гипотезы мы выдвинули идею о том, что явление электромагнитной индукции встречается повсеместно и является основой для работы многих бытовых приборов и устройств. Для достижения поставленной нами цели были выделены следующие задачи: 1. Изучить научную, научно-популярную и научно-познавательную литературу по данному вопросу, цифровые образовательные ресурсы, ресурсы Интернет. 2. Рассмотреть природу электромагнитной индукции. 3. Исследовать зависимость индукционного тока от других величин. 4. Рассмотреть принципы работы некоторых устройств, в основе работы которых лежит явление электромагнитной индукции. 5. Сделать выводы по проделанной работе. Эмпирическая база исследований. Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Болчаровская средняя общеобразовательная школа (кабинет физики, кабинет кулинарии, столярная мастерская, актовый зал). Методы исследования. - Теоретические (изучение, анализ, обобщение). - Эмпирические (наблюдения, беседы, измерения). - Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов). Научная новизна исследования заключается в исследовании принципов работы в большом количестве самых обычных бытовых электроприборов и устройств, с которыми мы ежедневно сталкиваемся в повседневной жизни: на кухне, в гараже, в столярной мастерской и т.д. Практическая значимость исследования состоит в том, что результаты данной работы можно использовать в качестве дополнительных материалов на уроках физики в 9 классе при прохождении тем «Явление электромагнитной индукции», «Направление индукционного тока. Правило Ленца», «Явление самоиндукции», «Получение и передача переменного тока. Трансформатор», «Электромагнитное поле», «Принципы радиосвязи и телевидения», а также на уроках технологии, кулинарии, автодела, электродела при изучении принципов работы электрических устройств, а также при проведении инструктажей по соблюдению техники безопасности при работе с различным электроинструментом, бытовыми электрическими устройствами и др. Таблица 1 - Этапы исследования
Библиография 1. Перышкин А.В. Физика. 9 кл.: учебник / А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2018. – 319, [1] с.: ил. 2. Поезда на магнитных подушках - это транспорт будущего? Как работает поезд на магнитной подушке? - //http://fb.ru/article. 3. Применение явления электромагнитной индукции // https://otherreferats.allbest.ru. 4. Электромагнитная индукция: применение индукции// http://www.nado5.ru. 5. Электромагнитная индукция //https://ru.wikipedia.org. 6. Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле// https: //elquanta.ru. 7. Энциклопедический словарь юного техника/ Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Педагогика, 1988. – 464 с.: ил. 8. Энциклопедический словарь юного физика/ Сост. В.А. Чуянов. – М.: Педагогика, 1984. – 352с., ил. Роль электромагнитной индукции в жизни людей. Трашкова Валерия ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ 9 класс Научная статья (описание работы). Взаимосвязь электрических и магнитных явлений всегда интересовала физиков. Великий английский ученый Фарадей был совершенно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Фарадей рассуждал, что электрический ток способен намагнитить кусок железа. Для этого достаточно поместить кусок внутрь катушки с током. Не может ли магнит в свою очередь вызвать появление электрического тока или изменить его величин? Фарадей так записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Решить эту задачу ему удалось лишь после 10 лет упорной работы.  Рис.1. Майкл Фарадей (1791-1867) Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», проделаем опыты, подобные тем, которые проделал Фарадей.   Рис. 1. Появление тока при движении магнита в катушке (вниз и вверх). К гальванометру подключим катушку, состоящую из большого числа витков. Если вдвигать в катушку магнит, то можно увидеть, что стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление тока в цепи. При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, указывая возникновение в катушке тока противоположного направления. В этом опыте ток возникает только тогда, когда магнит движется относительно катушки (рис.1). Несколько изменим опыт. Оставим неизменным магнит и будем перемещать катушку. В результате обнаружим, что во время движения катушки относительно магнита в цепи опять появляется ток (рис.2).   Рис.2. Появление тока при движении катушки относительно магнита (вверх и вниз). Теперь заменим магнит электромагнитом – катушкой, соединенной с источником тока. При перемещении электромагнита в катушке гальванометр фиксирует появление в ней тока. Если изменять силу тока в электромагните, замыкая и размыкая ключом цепь, то в катушке в эти моменты будет возникать ток (рис.3).   Рис.3. Появление тока в катушке при изменении силы тока в электромагните и движении катушки и электромагнита относительно друг друга. Проделаем еще один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника соединенный с гальванометром. При повороте контура стрелка гальванометра будет отклоняться, указывая возникновение в нем тока. Ток будет также возникать, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис.4). Во всех проделанных опытах ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.  Рис.4. Появление тока в контуре при его вращении в магнитном поле и при вращении магнита внутри контура. Явление возникновения тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, называют электромагнитной индукцией. Ток, возникающий в замкнутом проводнике, называется индукционным током (от лат. «наведенный).  Рис.5. Явление электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции широко используется в технике. Известно, что при вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает индукционный ток. При этом гальванометр отклоняется то в одну, то в другую сторону. Это говорит о том, что сила индукционного тока и его направление постоянно меняется от максимального значения (когда плоскость рамки расположена вдоль линий магнитной индукции) до нуля (когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции). Электрический ток, периодически меняющийся со временем по величине и направлению, называется переменным током.  Рис.6. Создание переменного электрического тока. Переменный ток широко используется и в осветительной сети и во многих отраслях промышленности. Для получения переменного тока используются генераторы переменного тока. Основными частями генератора являются статор (неподвижная часть) и ротор (движущаяся часть). Статор представляет собой систему неподвижных катушек (обмоток). В них индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока. Ротор представляет собой электромагнит – на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. При вращении ротора обмотки статора оказываются в переменном магнитном поле. Поэтому в них индуцируется переменный ток (рис.7).  Рис.7. Устройство ротора (а) и работа генератора переменного тока (б). На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины (турбогенератор), на гидроэлектростанциях – с помощью водяной турбины (гидрогенератор). Обычно ротор генератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока. Стандартная частота переменного тока, применяемая в промышленности и осветительной сети в России и других странах равна 50 Гц. В некоторых странах, например в США, стандартная частота переменного тока равна 60 Гц.  Рис.8. Работа гидрогенератора. Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы еще одного устройства – трансформатора. Трансформатор служит для преобразования тока одного напряжения в ток другого напряжения. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока, а вторичная – к потребителям электроэнергии. При этом в сердечнике трансформатора возникает переменное магнитное поле. Изменение магнитного поля в сердечнике приводит к возникновению напряжения между концами вторичной обмотки.  Рис.9.Трансформатор. Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора:  =  .Отношение напряжения на первичной обмотке трансформатора к напряжению на его вторичной обмотке равно отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. Если во вторичной обмотке число витков больше, чем в первичной (N2>N1), то такой трансформатор является повышающим (U2>U1). Если наоборотN2<N1, то трансформатор является понижающим (U2<U1).  Рис.10. Понижающий (а) и повышающий (б) трансформаторы. Трансформаторы нашли широкое применение в быту. Например, зарядное устройство телефона понижает напряжение с 220 В до 5,5 В. В телевизоре есть элементы, которым нужно более высокое или низкое напряжение, для этого используют несколько трансформаторов. Трансформаторы широко используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называют линиями электропередачи (ЛЭП). При передаче электроэнергии неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (Q=I2Rt). При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения (P=UI). Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор. А затем, между ЛЭП и потребителем электроэнергии – понижающий трансформатор.  Рис.11. Схема линии электропередач.   Рис. 12. Схема работы индукционной плиты. Рис.13. Рамка металлодетектора. Одним из интересных бытовых приборов является индукционная плита. Интересна она своим принципом работы. По сути, индукционная плита – тот же трансформатор, но роль вторичной обмотки играет металлическая посуда. Посуда, под действием тока нагревается, вследствие чего нагревается и еда внутри, и покрытие плиты. Таким образом, индукционная плита не нагревается до тех пор, пока на нее не поставят посуду. Индукционные плиты гораздо безопаснее и эффективнее (КПД до 90%).  Фото 1. Опыт с трансформатором. Явление электромагнитной индукции применяется в большом количестве бытовых приборов и устройств. Электрический дверной звонок – один из примеров применения электромагнетизма в повседневной жизни. Когда нажимаешь на кнопку, в цепи возникает электрический ток. Под действием электромагнита с одной стороны и пружины с другой молоточек часто ударяет по звонку (фото 2). Для обнаружения металлических предметов применяются специальные детекторы. Например, в аэропортах детектор металла фиксирует поля индукционных токов в металлических предметах. Магнитное поле, создаваемое током передающей катушки, индуцирует в металлических предметах токи, препятствующие (по правилу Ленца) изменению магнитного потока. В свою очередь магнитное поле этих токов индуцирует в катушке-приемнике ток, запускающий сигнал тревоги (рис.13).  Фото 2. Опыт с электрическим звонком.  Фото 3. Опыт с магнитоэлектрической машиной (генератором переменного тока). Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем. В кольцевом зазоре магнитной системы, имеющей постоянный магнит, находится подвижная катушка, скрепленная с диафрагмой. При воздействии на последнюю звукового давления, она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики (рис.14).  Рис.14. Принцип действия электродинамического микрофона. Явление электромагнитной индукции лежит в основе принципа работы поездов на магнитной подушке, так называемых маглевов, развивающих высокие скорости движения.  Рис.15. Маглев. Поезда на магнитных подушках представляют собой особую разновидность транспорта. Во время движения маглев словно парит над железнодорожным полотном, не касаясь его. Это происходит по той причине, что транспортное средство управляется силой искусственно созданного магнитного поля. Во время движения маглева отсутствует трение. Тормозящей силой при этом является аэродинамическое сопротивление. Как же это работает? О том, какими базовыми свойствами обладают магниты, каждому из нас известно из уроков физики. Если два магнита поднести друг к другу северными полюсами, то они будут отталкиваться. Создается так называемая магнитная подушка. При соединении различных полюсов магниты притянутся друг к другу. Этот довольно простой принцип и лежит в основе движения поезда-маглева, который буквально скользит по воздуху на незначительном расстоянии от рельсов.  Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS) (рис. 16).Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение Рис.16. Устройство маглева. (линейный двигатель). В ходе исследования мы подтвердили гипотезу о том, что явление электромагнитной индукции встречается повсеместно и является основой для работы многих приборов. В самом начале исследования я поставила себе цель: изучить явление электромагнитной индукции и выяснить ее роль в жизни людей. На приведенных примерах я рассмотрела применение электромагнитной индукции в жизни людей и доказала, что она имеет огромное значение в жизни современного человека. Таким образом, явление электромагнитной индукции широко распространено в современном мире и имеет огромное значение. Почти вся электрическая энергия мира производится на станциях, использующих генераторы, чья работа основана на явлении электромагнитной индукции. Без трансформаторов большинство электрической энергии было бы потрачено на нагрев проводов. Явление электромагнитной индукции является неотъемлемой частью нашей жизни, делая нашу жизнь более удобной, комфортной, безопасной и интересной. |