Модель явища електромагнітної індукції

Реферат: UA 94030 U UA 94030 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до демонстрації явищ, які вивчаються фізикою, а саме - до явища електромагнітної індукції, що стосується наведення електрорушійної сили (ЕРС) у провіднику під час перетину провідником магнітних силових ліній. Явище електромагнітної індукції використовується в техніці, наприклад в електромашинобудуванні. Задача корисної моделі - забезпечення ефективності сприйняття навчального матеріалу та адекватність відтворювання реальних фізичних процесів. Технічним результатом корисної моделі є демонстрація того, що в замкненому контурі можна нескінченно довго наводити постійну ЕРС а також ЕРС із наперед заданою довільною формою. Відомий уніполярний дисковий генератор постійної ЕРС, що має ротор у вигляді мідного диска та нерухомі клеми для виведеної ЕРС, які електрично з'єднані з мідним диском через електричні щітки ковзання, що розміщені біля центру диска та на його периферії. Якір має можливість обертатись у магнітному полі нерухомого індуктора, який складається з окремого постійного магніту. Уніполярний генератор було створено М. Фарадеєм у 1831 р. для демонстрації наведення ЕРС у провіднику (відповідний пристрій отримав назву "диск Фарадея") [1]. Недоліком даного пристрою є постійність величини ЕРС на періоді та великі втрати енергії у зв'язку із тим, що ЕРС, яка створюється в секторі диска, що знаходиться під постійним магнітом, замикається накоротко іншою частиною мідного диска, що розміщується зовні дій магнітного поля. Через низький ККД "диск Фарадея" практично не застосовувався. Додатковим недоліком "диска Фарадея" є неможливість генерувати ЕРС заданої форми. Найбільш близьким до корисної моделі за сукупністю суттєвих ознак є прийнятий за прототип уніполярний генератор, що має якір у вигляді ізольованого електричного провідника та нерухомі клеми для виведеної ЕРС, які електрично з'єднані з кінцями електричного провідника через електричні щітки ковзання та контактні елементи, а якір має можливість обертатись у магнітному полі нерухомого індуктора, який складається з ряду окремих постійних магнітів, що мають для одного періоду вихідної ЕРС однакові геометричні розміри, форми, величини повітряного проміжку, величини намагнічуючої сили всіх магнітних полюсів та мають протилежне спрямування намагнічуючих сил сусідніх магнітних полюсів [2]. Причинами, які перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату в прототипі (довільність форми вихідної ЕРС за період), є задана конструктивна однаковість магнітних полюсів нерухомого індуктора, величин повітряного проміжку та величини намагнічуючої сили. Недоліками прийнятого за прототип пристрою є генерування ЕРС у вигляді упорядкованих однакових за формою прямокутних імпульсів змінних напрямків. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення прототипу шляхом зміни умов генерування ЕРС за рахунок використання: - несиметричних, індивідуальних, довільних геометричних розмірів магнітних полюсів нерухомого індуктора; - довільних величин повітряного проміжку; - довільних величин та напрямків намагнічуючої сили. Технічним результатом корисної моделі є отримання вихідної ЕРС, яка складається із заданої довільної послідовності ділянок заданої форми, величини та напрямів. Загальні суттєві ознаки запропонованої моделі явища електромагнітної індукції, які співпадають із суттєвими ознаками прототипу, полягають у тому, що модель явища електромагнітної індукції має якір у вигляді ізольованого електричного провідника та нерухомі клеми для виведеної ЕРС, які електрично з'єднані з кінцями електричного провідника через електричні щітки ковзання та контактні елементи, а якір має можливість обертатись у магнітному полі нерухомого індуктора, що складається з ряду окремих постійних магнітів. Суттєві ознаки запропонованого уніполярного дискового генератора, що є достатніми у всіх випадках і характеризують запропоновану корисну модель, на відміну від прототипу, полягають у тому, що якір виконано у формі диска з ізоляційного матеріалу, а нерухомий індуктор має ряд постійних магнітів, які розміщені на феромагнітній пластині, що створює один загальний для всіх постійних магнітів феромагнітний полюс, із можливістю виймати з магнітної системи та вставляти вручну кожний постійний магніт для вилучення відповідного магнітного поля або для зміни напрямку відповідних магнітних силових ліній чи зміни величини магнітного поля, причому другий полюс із феромагнітного матеріалу для кожного постійного магніту є окремим і має індивідуальні геометричні розміри та площину перерізу. Передбачуваний спосіб ілюструється фіг. 1 та фіг. 2. На фіг. 1 наведено: - 1 - якір; - 2 - ізольований електричний провідник; 1 UA 94030 U - 3 - контактні елементи у вигляді електропровідних кілець на якорі 1; - 4 - нерухомі клеми для виведеної ЕРС; - 5 - електричні щітки ковзання; - 6 - постійні магніти; - 7 - феромагнітна пластина, яка створює один загальний полюс для всіх постійних магнітів 5 6; 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - 8 - другий полюс із феромагнітного матеріалу для кожного постійного магніту 6; - 9 - стійки з немагнітного матеріалу, які є боковими стінками комірок для вставлення постійних магнітів 6. На фіг. 2 позначено: - 10 - електричний двигун, призначений для обертання якоря 1 сумісно з ізольованим електричним провідником 2 та контактними елементами 3. Конструкція моделі явища електромагнітної індукції має такий вигляд. Якір 1 виконано у формі диска з ізоляційного матеріалу; він має ізольований електричний провідник 2, кінці якого електрично приєднані до контактних елементів 3 у вигляді електропровідних кілець на якорі 1. Нерухомі клеми 4 для виведеної ЕРС електрично з'єднані з кінцями електричного провідника 2 через електричні щітки ковзання 5 та контактні елементи 3. Якір 1 сумісно з ізольованим електричним провідником 2 та контактними елементами 3 має можливість обертатись у магнітному полі нерухомого індуктора. Нерухомий індуктор має ряд постійних магнітів 6, які розміщені на феромагнітній пластині 7, що створює один загальний для всіх постійних магнітів феромагнітний полюс, із можливістю виймати з магнітної системи та вставляти вручну кожний постійний магніт для вилучення відповідного магнітного поля або для зміни напрямку відповідних магнітних силових ліній чи зміни величини магнітного поля. Для кожного постійного магніту 6 другий полюс із феромагнітного матеріалу 8 є окремим і має індивідуальні геометричні розміри та площину перерізу. Стійки 9 виконано з немагнітного матеріалу; вони є боковими стінками комірок для вставлення постійних магнітів 6. Електричний двигун 10 призначений для обертання якоря 1 сумісно з ізольованим електричним провідником 2 та контактними елементами 3. Модель використовується наступним чином. Електричний двигун 10 обертає якір 1 сумісно з ізольованим електричним провідником 2 та контактними елементами 3 у вигляді електропровідних кілець на якорі 1. При обертанні ізольованого електричного провідника 2 у магнітному полі нерухомого індуктора, яке створюється постійними магнітами 6 із використанням загального полюсу у вигляді феромагнітної пластини 7 та інших індивідуальних полюсів із феромагнітного матеріалу 8 в електричному провіднику 2 виникає ЕРС, величина і напрямок якої залежить від величини і напрямку магнітної індукції магнітного поля, яке створюється кожним постійним магнітом 6. Величина магнітної індукції магнітного поля, яке створюється постійним магнітом 6, залежить від індивідуальної конструкції його другого індивідуального полюсу з феромагнітного матеріалу 8. Напрямок магнітних силових ліній магнітного поля може змінюватись шляхом перевертання полюсів постійних магнітів 6 (ця операція виконується вручну). Для демонстрації явища електромагнітної індукції до вихідних клем 4 підключають осцилограф і застосовують такі режими: 1. Невизначено довге генерування на вихідних клемах 4 імпульсів ЕРС однакового спрямування (для цього всі постійні магніти 6 повинні мати однакове спрямування магнітних силових ліній). Якщо в цьому випадку ввімкнути до вихідних клем 4 мікроамперметр магнітоелектричної системи, то можна фіксувати невизначено довге генерування постійного струму в замкненому контурі. Напрямок ЕРС змінюється у випадку зміни полярності постійних магнітів 6. 2. Генерування на вихідних клемах 4 імпульсів ЕРС протилежного спрямування на періоді (для цього частка постійних магнітів 6 повинна мати одне спрямування магнітних силових ліній, а інша частка постійних магнітів 6 - протилежне спрямування магнітних силових ліній). Кількість імпульсів одного з напрямків ЕРС та їх послідовність визначаються при виконанні демонстраційних дослідів. Перевагою описаної моделі явища електромагнітної індукції є демонстрація того, що в замкненому контурі можна нескінченно довго наводити ЕРС постійного спрямування та можливість генерування ЕРС із наперед заданою довільною послідовністю та знаком миттєвих значень ЕРС у часі. Адекватність відтворювання реальних фізичних процесів дозволяє забезпечити ефективність сприйняття навчального матеріалу. Використана інформація: 2 UA 94030 U 1. Фарадей М. Избранные работы по электричеству / М. Фарадей. - М.-Л.: Гос. объед. научно-техн. изд-во, 1939. - 304 с. 2. Менде Ф.Ф. Многополюсный униполярный генератор переменного тока [Електронний ресурс] / Ф.Ф. Менде. - Режим доступу: http://fmnauka.narod.ru/UG.pdf. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Модель явища електромагнітної індукції, яка має якір у вигляді ізольованого електричного провідника та нерухомі клеми для виведеної ЕРС, що електрично з'єднані з кінцями електричного провідника через електричні щітки ковзання та контактні елементи, а якір виконаний з можливістю обертатись у магнітному полі нерухомого індуктора, що складається з ряду окремих постійних магнітів, яка відрізняється тим, що якір виконаний у формі диска з ізоляційного матеріалу, а нерухомий індуктор має ряд постійних магнітів, розміщених на феромагнітній пластині, що створює один загальний для всіх постійних магнітів феромагнітний полюс, із можливістю виймати з магнітної системи та вставляти вручну кожний постійний магніт для вилучення відповідного магнітного поля або для зміни напрямку відповідних магнітних силових ліній чи зміни величини магнітного поля, причому другий полюс із феромагнітного матеріалу для кожного постійного магніту є окремим і має індивідуальні геометричні розміри та площину перерізу. 3 UA 94030 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4