Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67




Скачать 16,35 Kb.
НазваниеМбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67
Дата03.02.2016
Размер16,35 Kb.
ТипДокументы


Секция: Физика и астрономия

МБОУ «Гимназия №39» г. Уфа

450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д.67

тел.: +7 (347) 272-42-03; E-mail: school39@mail.ru

Многофункциональный прибор для демонстрации и изучения электрических

явлений

Сафаров Мурат

Класс: 11

450077, г. Уфа, ул. Ленина, д.72, кв.83

тел.: +7 (347) 273-90-64; E-mail: murat.safarov@mail.ru

Научный руководитель: Яшин Евгений Владимирович

УГАТУ, ст. преп.



Работа посвящена разработке, изготовлению и исследованию демонстрационного пособия по физике на основе трансформатора Тесла.

Актуальность. В списке задач по научно-технической модернизации страны особое место занимает задача пробуждать у учащихся интерес к естественным наукам, к технике. Но, до сегодняшнего дня, предпочтения школьников, выбирающих будущую профессию, склонялись больше в сторону изучения гуманитарных наук. Одной из причин недостаточного внимания школьников к изучению техники, на мой взгляд, является, к сожалению, неудовлетворительное оснащение кабинетов физики демонстрационным оборудованием, которое в большинстве российских школ не соответствует современным требованиям и нуждается в модернизации.

Учебный эксперимент является главным средством наглядности при изучении физики, а демонстрационные опыты составляют большую и очень важную часть школьного физического эксперимента. Они способствуют созданию физических представлений и формированию физических понятий, возбуждают и поддерживают у школьников интерес к предмету. Эффект любого эксперимента в первую очередь зависит от качества школьных физических приборов. В мире есть ряд крупных производителей школьного оборудования, которые выпускают качественные современные пособия, но они из-за очень высокой цены недоступны для большинства наших учебных заведений.

Поэтому, необходимо создавать демонстрационные пособия, которые, обладая широкими функциональными возможностями по демонстрации физических явлений, имели бы при этом доступную для большинства школ стоимость, были бы по-настоящему интересными для учеников, соответствовали принципу инвариантности и способствовали бы популяризации технических наук. Интерес к технике, пробудившийся при «живом» наблюдении демонстрируемых удивительных физических явлений, может также помочь и в выборе будущей профессии. Таким образом, актуальность работы заключается в том, что существует необходимость оснастить школьные кабинеты физики зрелищным, современным, универсальным, недорогим, эргономичным и эстетичным демонстрационным оборудованием. И особенно это актуально при изучении раздела «Электричество», как отрасли физической науки, где техническая и практическая реализация физических явлений и законов развивается наиболее динамично.

Постановка задачи: Создать современное, зрелищное, универсальное, недорогое, эргономичное учебное пособие по электротехнике, отвечающее всем требованиям безопасности, предъявляемым в учебных заведениях.

Целью работы является разработка, изготовление и исследование действующей модели пособия, максимально отвечающего всем вышеуказанным требованиям.

В рамках работы были решены следующие задачи:

- анализ существующих пособий по электротехнике;

- выбор устройства, которое могло бы лечь в основу пособия;

- разработка структуры устройства;

- аналитическое проектирование катушки Тесла (КТ);

- определение оптимального способа коммутации тока в первичной обмотке КТ и разработка принципиальной схемы блока управления КТ в соответствии с предъявленными к пособию требованиями;

- выбор опытов, которые можно ставить при помощи данного устройства;

- конструирование и изготовление действующей модели пособия;

- исследование свойств и возможностей устройства и сравнение с аналогами.

- разработка краткого методического руководства по производству опытов на устройстве

Положения, выносимые на защиту:

- разработанная схема блока управления позволяет достичь таких функциональных возможностей, как питание устройства безопасным напряжением (~42V), упрощение процесса точной настройки системы на резонансную частоту, а так же плавная регулировка интенсивности электромагнитного поля и модуляция выходного напряжения частотой звукового диапазона;

- использование интегральных драйверов позволяет снизить тепловые потери и повысить качество ШИМ сигнала на выходе инвертора;

- применение оптимальных методов для обеспечения устойчивой работы схемы и защиты от тиристорного эффекта и эффекта Миллера;

- клетка Фарадея позволяет ослабить воздействие ЭМП;

- озоновый фильтр поглощает выделяющийся при работе устройства озон;

- индуктивно – емкостной фильтр способствует электромагнитной совместимости с другими устройствами;

- конструкция устройства позволила сделать каждый из множества опытов, демонстрируемых на КТ, наглядными, не требующими затрат времени на подготовку демонстраций, а также даёт возможность дополнять установку новыми объектами для демонстраций.

Методы проведенных исследований:

- для оценки защитных свойств клетки Фарадея был создан прибор, измеряющий ЭМП;

- экспериментальным методом были исследованы зависимости: длины дугового разряда, тока в первичной обмотке КТ, резонансной частоты, интенсивности ЭМП, излучаемого КТ, от различных факторов (количество витков первичной обмотки, вид разряда, замыкающего вторичную обмотку, наличие клетки Фарадея, заземление вторичной обмотки);

- измерение выходного напряжение было произведено изготовленным для этих целей киловольтметром;

- для изучения резонансных свойств КТ и работы отдельных узлов блока управления было использовано математическое моделирование, в т. ч. с использованием ЭВМ;

Научная новизна работы заключается в адаптации КТ к учебному процессу и оснащение её большим функциональным набором для демонстрации и изучения различных электрических явлений. Также, автором предложен револьверный способ подачи объектов демонстрации, сводящий к минимуму затраты времени на подготовку к демонстрации и позволяющий дополнять установку для производства опытов новыми элементами.

Апробация работы. Данная работа была представлена на районной научно-практической конференции Малой академии наук и Республиканской научно – практической конференции «Лаборатория XXI века», где получила высокую оценку жюри (I и II места соответственно).

Структура и объем работы.  Работа состоит из четырех основных разделов.

В первом разделе рассмотрены и проанализированы различные учебные пособия по электричеству, их достоинства и недостатки. Определены основные требования к создаваемому устройству. Обоснован выбор КТ, как наиболее подходящей для выполнения поставленных задач основы для прибора. Выбраны опыты, которые предполагается ставить при помощи данного пособия.

Во втором разделе описана разработка и изготовление действующих моделей различных вариантов блока управления КТ. На основе результатов экспериментов с ними и их анализа, для достижения всех поставленных задач, была выбрана и оптимизирована схема коммутации тока в первичной обмотке КТ мостовым инвертором, управляемым ШИМ – модулятором и интегральными драйверами. Приняты меры по обеспечению устойчивой работы схемы и защиты от тиристорного эффекта и эффекта Миллера.

В третьем разделе описана конструкторская часть работы. Она состоит из двух частей: конструкция КТ, совмещённой с установкой для производства опытов (УПО) и конструкция блока управления КТ. В первой части раздела даны конструкторские расчеты КТ, показана компоновка и крепление основных частей КТ, включая средства защиты от ЭМП и озона, разработана револьверная конфигурация установки для производства опытов, спроектированы объекты демонстрации, решены задачи по их перемещению и коммутации, рассчитана изоляция, проведен выбор материалов, обоснованы преимущества воздушного (парамагнетического) магнитопровода, однослойной катушки, тороида. Во второй части раздела показаны: проектирование печатной платы, компоновка узлов и их соединение, расположение органов управления и контроля, решены задачи обеспечения нормального теплового режима, электромагнитной совместимости.

В четвертом разделе проведены

- аналитическое проектирование КТ:

  • исследованы свойства колебательного контура вторичной обмотки: влияние коэффициента связи трансформатора, добротности контура и частоты тока на фазовый сдвиг между напряжением и током, импеданс контура и величину напряжения на реактивных элементах вторичного контура, произведено схемотехническое компьютерное моделирование последовательного контура;

  • вторичная обмотка КТ рассмотрена как цепь с распределенными параметрами, в которой может происходить внутреннее отражение и интерференция волн, из чего сделаны выводы об образовании стоячих волн тока и напряжения во вторичной обмотке, произведено схемотехническое компьютерное моделирование трансформатора Тесла.

  • произведен расчет параметров КТ;

- экспериментальные исследования:

  • зависимости: длины дугового разряда, тока в первичной обмотке КТ, резонансной частоты, интенсивности ЭМП, излучаемого КТ, от различных факторов (количество витков первичной обмотки, вид разряда, замыкающего вторичную обмотку, наличие клетки Фарадея, заземление вторичной обмотки, наличие дополнительной емкости вторичного контура);

  • коэффициента экранирования клетки Фарадея;

  • величины выходного напряжения;

  • зависимости формы волны напряжения от частоты (в т. ч. в окрестности резонансной частоты);

- определение оптимальной частоты тока с учетом безопасного скин-слоя и минимальных тепловых потерь в MOSFET

- расчет стоимости прибора;

- проверка прибора на соответствие СанПиН.

Результатом работы явилась разработанная и изготовленная действующая модель зрелищного, недорогого, эргономичного учебного пособия по электричеству, в основу которой положен трансформатор Тесла, обладающая широким набором функциональных возможностей и соответствующая требованиям безопасности, предъявляемым к школьным учебным пособиями.

Практическая ценность. Устройство, представленное в данной работе, может использоваться в школах, СПТУ, вузах, учреждениях дополнительного образования (кружках), как в качестве демонстрационного пособия, так и в качестве установки для производства экспериментов. Благодаря принятым мерам по обеспечению безопасности прибора, у учащихся есть возможность самостоятельно (под наблюдением преподавателя) ставить опыты. Устройство может использоваться также для демонстрации однопроводной и беспроводной передачи энергии и демонстрации эффекта Кирлиана.

Реализация результатов. Результатом работы является полностью готовая к практическому применению действующая модель, которая прошла апробацию на открытых уроках, научно - практических конференциях и показала полную пригодность для использования в учебных заведениях.


Литература


Fundamentals of Power Electronics - Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic

Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988.

R. Adler, L.J. Chu, and R. Fano, Electromagnetic Energy Transmission and Radiation, Wiley, 1960

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993

Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Л. А. Бессонов Гардарики, 2007 г.

Nikola Tesla: Colorado Springs Notes, 1899-1900

Матханов П.Н., Гоголицын Л.З. Расчет импульсных трансформаторов. — Энергия, 1980.

Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов 2-е изд. перераб. и доп.. — Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.

Ицхоки Я.С. Импульсные устройства. — Сов.Радио, 1959.

Каштанов В.В. Анализ фронта выходных импульсов трансформатора. — Радиотехника, 1995

Основы теории цепей, Г. И. Атабеков, Лань, С-Пб.,-М.,-Краснодар, 2

А. Н. Матвеев. Электричество и магнетизм. (Первое изд. М.: Высшая школа, 1983.)

Теоретические основы электротехники. К. С. Демирчян, Л. Р. Нейман, Н. В. Коровкин Питер, 2009 г.

З. Беньковский, Э. Липинский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн — М.: Радио и связь, 1979

Додд Р. Солитоны и нелинейные волновые уравнения

Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Второе издание, дополненное. Москва, изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2006г

Б. Ю. Семенов Силовая электроника для любителей и профессионалов СОЛОН-Р Москва  2001

Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Второе издание, дополненное. Москва, изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2006г

Барьяхтар В. Г., Криворучко В. Н., Яблонский Д. А. Функции Грина в теории магнетизма. — К.: Наукова думка, 1984. — 336 с.

Косевич А. М., Иванов Б. А,, Ковалев А. С. Нелинейные волны намагниченности. Динамические и топологические солитоны. — К.: Наукова думка, 1983. — 192 с.

Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008

Скрипников Ю. Ф. Колебательный контур — М.: Энергия, 1970—128 с.: ил. — (МРБ; Вып. 739)

М.Б. Виноградова, О.В. Руденко, А.П. Сухоруков: Теория волн М: Наука, 1979

Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — Наука, 2003

Г.Месяц "Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения"

Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003

Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях

Сподобаев Ю. М., Кубанов В. П. Основы электромагнитной экологии. — М.: Радио и связь, 2000. — 240 с.

Довбыш В. Н., Маслов М. Ю., Сподобаев Ю. М. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем.2009. — 198 с

Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с. — ISBN 978-5-9221-0848-5

High Voltage Engineering Fundamentals - John Kuffel, E. Kuffel, W. S. Zaengl

С. М. Аполлонский. Справочник по расчёту электромагнитных экранов. Ленинград, 1988

Н. Н. Грачёв, Л. О. Мырова. Защита человека от опасных излучений. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. — 317 с.

Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.

Григорьев Ю. Г. Отдаленные последствия биологического действия электромагнитных полей. Рад. биол. Радиоэк. 2000, 40, № 2, 217

Бинги В. Н. Магнитобиология: эксперименты и модели. — М.: «МИЛТА», 2002. — 592 с. — ISBN 5-94505-033-4

Основы электромагнетизма (А.М. Макаров, Л.А. Лунева) МГТУ

Электромагнитные волны и оптика (О.С. Литвинов, К.Б. Павлов, В.С. Горелик) МГТУ

П. Л. Калантаров А. А. Цейтлин. Расчет индуктивностей: Справочная книга

Tesla’s lectures before the Institution of Electrical Engineers (London) and the Royal Institution (London),February 3 and 4, 1892



Похожие:

Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconМбоу «Гимназия» Опыт педагогов мбоу «Гимназия» № Ф. И. О., должность
Перечень творческих работ обучающихся, опыт педагогов, размещенных в сети Интернет 2 полугодие 2012 года
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 icon«Образ пожара в романе Ф. М. Достоевского «Бесы»
Здравствуйте. Я, Ковалева Алина, ученица 10 кл. Мбоу «сош №35 «г. Ангарска. Хочу представить вашему вниманию исследовательскую работу...
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 icon«Искусство Достоевского относится к числу «трудных». Очевидно, подход к Достоевскому, проникновение в его стиль, язык, образную систему, а значит, и методы
Ключ, которым открывается своеобразие творчества Достоевского, нужно искать, на мой взгляд, в понимании жанра его романов». М. Белкин....
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconРеферат Понимание Бога и дьявола в творчестве Ф. М. Достоевского
Философско-религиозные взгляды Ф. М. Достоевского
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconЖизнь и творчество Ф. М. Достоевского
Цель: познакомить учащихся с основными этапами жизни и творчества Ф. М. Достоевского
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconПрограмма принята советом маоу сош №2 им. Ф. М. Достоевского
Муниципального автономного общеобразовательного учреждения «Средняя образовательная школа №2 им. Ф. М. Достоевского с углубленным...
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconМбоу «Гимназия №1 им. А. С. Пушкина» г. Южно- сахалинска
Формирование коммуникативной компетенции является основной и ведущей целью обучения
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconКак победить бытовую химию
Мбоу «Гимназия №5 города Зеленодольска и Зеленодольского муниципального района Республики Татарстан»
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconА. В. Воробьёва мбоу «Гимназия №216 «Дидакт» г. Заречный Пензенская область
Развитие универсальных познавательных учебных действий с использованием технологии триз
Мбоу «Гимназия №39» г. Уфа 450077, г. Уфа, ул. Достоевского, д. 67 iconТемы дипломных работ два поколения в романах И. С. Тургенева «Отцы и дети» иФ. М. Достоевского «Бесы». Традиции романа воспитания в творчестве Достоевского («Подросток», «Неточка Незванова»)
Традиции романа воспитания в творчестве Достоевского («Подросток», «Неточка Незванова»)
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница