Зарядное устройство для батареек от 1,5 В.
Районная научно-практическая конференция «Новое поколение»
Полное название темы работы
Исследование явления «электрического тарана» и его практическое применение в зарядном устройстве для пальчиковой батарейки.
Название секции
Физика и познание мира.
Тип работы
Исследовательская работа
Возрастная номинация
7-11 класс
Фамилия, имя автора
Гладкий Алексей Дмитриевич
Территория
Курагинский район, с. Шалоболино
Место учебы
МБОУ Шалоболинская СОШ №18 Курагинского района
Класс
8 класс
Место выполнения работы
НОУ «Академик»
Лаборатория физики
Руководитель
Борисов Евгений Васильевич, учитель физики
МБОУ Шалоболинская СОШ №18 (39136) 734-07
Научный руководитель
-
e-mail контактный телефон
s-181@yandex.ru
(39136)73-2-48
АННОТАЦИЯ
Гладкий Алексей
с. Шалоболино МБОУ Шалоболинская СОШ №18, 8 класс
«Исследование явления «электрического тарана» и его практическое применение в зарядном устройстве для пальчиковой батарейки»
Руководитель: Борисов Евгений Васильевич, учитель физики
Цель исследования:
Изготовить электрический стенд для исследования «электрического тарана»- как явления самоиндукции и практического применения в зарядном устройстве.
Методы проведённых исследований:
Эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.
Основные результаты работы:
Познакомился с информацией о свойствах магнитного поля и в частности возникновение явления самоиндукции в катушке индуктивности.
Познакомился с информацией о практическом применении явления самоиндукции в электрических схемах, в частности зарядных устройствах.
Научился работать с паяльником.
Узнал на практике, что такое транзистор, конденсатор, диод, светодиод, сопротивление и как они обозначаются на электрических схемах.
Изготовлена экспериментальная модель блокинг-генератора зарядного устройства от батарейки 1,5 В.
Опробовано два варианта подключения пальчиковой батарейки для заряда в экспериментальной модели зарядного устройства, для исследования эффекта «электрического тарана».
Результаты исследований занесены в таблицы.
На основании полученных данных построены графики.
Сделаны выводы о работе зарядного устройства с использованием явления самоиндукции – «электрического тарана».
ВВЕДЕНИЕ
Без сомнения, все наше знание начинается с опытов.
(Кант Эммануил. Немецкий философ1724-1804г.г).
Когда мы с ребятами были на туристическом слёте вечером, когда уже стемнело, пользовались фонариками. Но фонарики имели свойство разряжаться с течением времени. Все туристы, находящиеся в походах, как известно, очень берегут свои карманные фонарики, не включают их без надобности, экономят энергию гальванических батарей.[8] И как-то на уроке физики я спросил Евгения Васильевича, возможно ли сделать зарядное устройство для простых пальчиковых батареек, если они ещё не полностью вышли из строя. Ну, например, разрядились только наполовину. И Евгений Васильевич согласился проверить моё предположение. Хотя с точки зрения устройства батареек это считается не возможно!
Мы решили поискать в интернете на эту тему информацию, но ничего не нашли, зато наткнулись на удивительную установку - «гидравлический таран». Изучая работу гидравлического тарана, Евгений Васильевич сказал мне, что этот эффект используется в электрических схемах и называется явлением самоиндукции. Мне захотелось понять, что это за явление, которое можно наблюдать как в гидравлических устройствах, так и в электрических. И мы решили собрать зарядное устройство, для пальчиковых батареек работающее в импульсном режиме, где и проявляется явление самоиндукции или «электрического тарана».
Суть устройства гидравлического тарана состоит из 1) резервуара воды (озеро, водопад и т.д.) расположенных на некоторой высоте, 2) труба по которой вода стекает вниз к устройству – «гидравлический таран».
3) «Гидравлический таран» состоит из металлического корпуса, двух клапанов, замкнутого резервуара, и трубы идущей от резервуара до необходимого объекта (емкости для воды в огороде, находящийся на большей высоте чем резервуар воды из которого гидравлический таран поднимает часть воды).
Несложный и остроумный механизм гидравлический таран, не нуждаясь в источнике энергии и не имея двигателя, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров. Он может месяцами непрерывно работать без присмотра, регулировки и обслуживания, снабжая водой небольшой поселок или ферму. [2]
Если рассмотреть работу явления самоиндукции в электрических схемах, она очень похожа на работу гидравлического тарана. Только вместо воды в «электрическом таране» используется электрический ток. Благодаря явлению «электрического тарана» или самоиндукции можно сделать зарядное устройство, с помощью которого можно с источника например 1,5В зарядить аккумулятор от 1В до 3В (или батарею с низким потенциалом например от 0,7В до 1,4В).
Цель исследования:
Исследовать предположение возможности заряда простой пальчиковой батарейки (не аккумулятора) с помощью зарядного устройства, в работе которого используется явление «электрического тарана»
Основные задачи:
Расширить уровень знаний в области электрических и магнитных явлений в практическом конструировании модели зарядного устройства.
Изготовить и исследовать рабочую модель зарядного устройства, с использованием из доступных приборов и материалов в школьной лаборатории.
Исследовать эффект самоиндукции или «Электрического тарана», проанализировать полученные результаты эксперимента по параметрам: напряжение, сила тока.
Проблема: возможно ли произвести зарядку пальчиковой батарейки разряженной наполовину, до её первоначального состояния.
Гипотеза: Предполагаю, что возможно изготовление зарядного устройства для пальчиковых батареек.
Методы проведённых исследований:
изучение и анализ информации,
изготовление модели зарядного устройства и эксперимент,
наблюдение и обобщение собственного опыта работы,
сравнительный анализ результатов
Глава 1. Изучение и анализ информации.
Исследуя информацию в интернете, было обнаружено достаточно большое количество электрических схем использующих явление самоиндукции. Так что же такое явление самоиндукции? Можно ли его сравнить с гидравлическим ударом?
В основе этого явления лежит магнитное поле создаваемое катушкой индуктивности при прохождении через неё электрического тока. В нашем устройстве мы будем использовать бифилярную (намотанную двойным проводом) катушку.[1,3] Условное обозначение на электрических схемах будет выглядеть как на рисунке 1.
Если на первичную обмотку подать переменное напряжение от источника питания, то на вторичной обмотке мы получим так же переменное напряжение (смотри рисунок 2), благодаря взаимоиндукции между катушками.
При подключении лампочки в качестве нагрузки на вторичную обмотку нашего бифилярного трансформатора лампочка будет светить (смотри рисунок 3). Где видно на рисунке направление силы тока в первичной обмотке изображено красным цветом. А зелёным цветом указанно направление силы тока во вторичной обмотке трансформатора, в случаи переменного напряжение от источника тока.[4]
Если мы вместо переменного источника тока подключим первичную обмотку нашего трансформатора к источнику постоянного тока (батарейка), то лампочка вспыхнет в момент при замыкании ключа (смотри рисунок 4) и в момент размыкания ключа. Всё остальное время трансформация постоянного напряжения не будет происходить, из-за постоянства электрического тока в цепи, а соответственно и не изменяющегося магнитного поля. Из курса физики известно, что трансформация напряжения происходит только при нарастании магнитного поля или затухании. Но если сравнить вспышки лампочки в момент включения и в момент выключения, то увидим, что в момент включения лампочка просто загорается, а в момент размыкания лампочка вспыхивает ярко и гаснет. Это и есть проявление явления самоиндукции в момент разрыва цепи. Точно также и происходит в гидравлическом таране, где возникает резкое увеличение давления воды, которое и создает давление большее, чем давление первоначальное, стекающее от источника воды. Импульс самоиндукции считается паразитическим и от него стараются избавиться (смотри рис. 5).
Можно ли это явление использовать с пользой? Для нас этот импульс сыграет положительную роль, так как он имеет более высокий потенциал по сравнению с источником тока. Мы используем его для зарядки пальчиковой батарейки, от подобной пальчиковой батарейки.[7,9]
Глава 2. Измерения напряжения и силы тока в моделях зарядных устройств. Обобщение собственного опыта работы.
Из выбранных схем в интернете с использованием явления самоиндукции мы остановились на самой простой схеме №1 (смотри рис.6).[7]
Собрав макет электрической схемы на рис.6 мы поставили на зарядку, разряженную на половину пальчиковую батарейку. И стали смотреть, что будет происходить. К нашему удивлению пошел заряд нашей обычной батарейки. Для того чтобы наблюдать визуально что идёт заряд нашей батарейки было решено вместо обычного диода поставить светодиод (смотри рис.7). Измеренные величины были занесены в таблицу №1.
Таблица №1. Измеренные величины по электрической схеме на рис.7
Дата
Время
Напряжение на 1 батарейке (V1),В
Напряжение на 2 батарейке (V2),В
Сила тока (мА)
18.10.2015г
17-00
1,595
0,713
14
21-00
1,437
0,756
14
19.10.2015г
7-00
1,394
0,878
13
21-00
1,214
0,952
13
20.10.2015г
7-00
0,943
1,073
12
19-00
0,694
1,101
12
21.10.2015г
7-00
0,566
1,151
11
21-00
0,524
1,174
11
22.10.2015г
7-00
0,498
1,194
10
19-00
0,489
1,207
10
23.10.2015г
7-00
0,476
1,224
9
21-00
0,469
1,242
9
24.10.2015г
7-00
0,456
1,268
8
20-00
0,466
1,282
8
·
25.10.2015г
9-00
0,437
1,310
7
Используя данные таблицы №1, построен график зависимости наших величин от даты проведения опытов.
График зависимости электрических величин электрической схемы на рис. 7 от даты проведения измерений
13 EMBED Диаграмма Microsoft Excel 1415
Анализируя графики видно, что происходит процесс зарядки нашей разряженной на половину пальчиковой батарейки. При этом пропорционально происходит разряд питающей батарейки. Так же видно, что происходит убывание тока заряда по мере возрастания заряда батарейки.
Мы предположили, что возможно заряд батарейки происходит из-за импульсного режима зарядки. Благодаря импульсному режиму зарядки в батарейке происходит некая химическая реакция восстанавливающая заряд батарейки. Что бы проверить нашу догадку мы решили изменить нашу электрическую схему зарядного устройства. Было предложено попробовать подключить нашу батарейку и светодиод между базой и коллектором транзистора. Тем самым создать заряд батарейки чисто в импульсном режиме, исключив накопительный конденсатор (смотри рис.8). Результаты нашего эксперимента занесены в таблицу №2
Таблица №2. Измеренные величины электрической схемы рис.8
Дата
Время
Напряжение на 1 батарейке (V1), В
Напряжение на 2 батарейке (V2), В
Сила тока (мА)
07.12.2015г
7-00
1,456
1,051
14
21-30
1,404
1,084
14
08.12.2015г
7-00
1,356
1,149
13
17-30
1,335
1.249
13
09.12.2015г
7-00
1,304
1,282
12
21-30
1.295
1,297
12
10.12.2015г
7-00
1,258
1,319
11
18-00
1,248
1.326
11
11.12.2015г
7-30
1.208
1,347
10
17-20
1,110
1,371
10
12.12.2015г
9-00
1,066
1,381
9
17-30
1,005
1,401
9
График зависимости напряжения на батарейках Б1и Б2 электрической схемы на рис. 8 от даты проведения измерений
13 EMBED Диаграмма Microsoft Excel 1415
Анализируя, полученные результаты, мы подтвердили наше предположение о том, что заряд обычной пальчиковой батарейки возможен благодаря импульсному режиму заряда.
Для того что бы убедиться, что действительно произошла зарядка пальчиковой батарейки мы решили
проверить заряд батарейки в отключенном состоянии от электрической цепи, в течении четырёх дней. Данные измерений занесли в таблицу№3.
Таблица №3. Данные измерений напряжения на батарейках №1 и №2 находящихся в отключенном состоянии от электрической цепи.
Дата
Время
Напряжение на 1 батарейке (Б1),В
Напряжение на 2 батарейке (Б2),В
27.12.2015г
17-32
1,005
1,401
18-00
1,085
1,345
20-00
1,167
1,309
21-00
1,243
1,268
28.12.2015г
7-00
1,269
1,266
22-00
1,281
1,262
29.12.2015г
7-00
1,287
1,256
18-00
1,289
1,255
30.12.2015г
7-00
1,289
1,255
По данным измерений таблицы №3 построена графическая зависимость, где начальная точка - это дата состояния напряжения на батарейках в момент включения их в зарядное устройство. Вторая точка - это дата состояния напряжения батареек в момент отключения от зарядного устройства.
График зависимости заряда на батарейках в отключенном состоянии по таблице №3.
Из графика видно, что в начале заряд у батарейки Б1 (от которой шёл заряд через зарядное устройство на Б2) стал восстанавливаться с 1,005В до 1,289В. Потом этот процесс остановился на напряжении = 1,289В. Разница составила от первоначального 1,456В-1,289В = 0,161В. Батарейка Б2: в начале пошёл разряд от 1,401В до 1,255В, но после процесс разряда прекратился и остался =1,255В. Разница составила от начального состояния 1,051В-1,255В=0,254В. Видно из графика, что заряд батарейки Б2 произошёл, что удивительно так как считается что это невозможно!
Исходя из полученного результата, можно данное зарядное устройство соединить с фонариком на светодиодах, создав тем самым экономичный фонарик. Переключая батарейки из режима «заряд» в режим «питание» и наоборот можно продлить срок работы батареек в несколько раз.
Что такое батарейка? Это источник тока основанный на химической реакции при которой происходит разделение электрических зарядов на положительные и отрицательные. И в простых батарейках эта реакция необратима. Значит, когда мы стали воздействовать на батарейку в импульсном режиме зарядки внутри что-то стало, происходит, мы предположили:
Действительно пошла реакция восстановления,
Батарейка стала накапливать заряд как обычный конденсатор,
Возможно, бывает разное электричество. Например, батарейка имеет электричество «положительного» характера, а мы закачиваем электричество «отрицательного» характера, и оно просто накладывается сверху положительного не смешиваясь с первоначальным, как две жидкости разной плотности.
Выводы:
1. Изготовленные две установки для заряда батареек показали свою работоспособность.
2. Поставленная нами проблема заряда обычной пальчиковой батарейки получила положительное подтверждение. Благодаря явлению самоиндукции на катушке индуктивности произошло повышение напряжения от источника тока с 1,5В, ввиде импульсов до
· 3,5В этого оказалось достаточным для заряда обычной пальчиковой батарейки.
3. Вторая экспериментальная установка, при сравнении полученных результатов, показала наибольшую экономичность:
в первый день на первом устройстве потребление тока составило-21мА на втором устройстве-16мА.
первое зарядное устройство проработало 8 дней, и ток упал до 6мА, соответственно и яркость свечения светодиода упала до 30%.
Второе зарядное устройство проработало 11 дней при этом, ток снизился до 9мА, яркость светодиода снизилась примерно до 45%!
4. Проверено состояние батарейки после процесса заряда в отключенном состоянии. Построенный график наглядно показал, что батарейка получила заряд, и он сохраняется внутри батарейки.
Заключение:
Я познакомился с информацией о свойствах магнитного поля и в частности возникновение явления самоиндукции в катушке индуктивности.
Благодаря пониманию работы устройства гидравлический таран стал понимать происходящие процессы в электрической схеме с использованием явления самоиндукции. Было предложено дать новое название явлению самоиндукции как «электрический таран».
Познакомился с информацией о практическом применении явления самоиндукции в электрических схемах, в частности зарядных устройствах.
Научился работать с паяльником.
Узнал на практике, что такое транзистор, конденсатор, диод, светодиод, сопротивление и как они обозначаются на электрических схемах.
Изготовлена экспериментальная модель блокинг-генератора зарядного устройства от батарейки 1,5 В.
Опробовано два варианта схем подключения пальчиковой батарейки для заряда в экспериментальной модели зарядного устройства, для исследования эффекта «электрического тарана».
Результаты исследований занесены в таблицы.
На основании данных таблиц №1,№2,№3 были построены графики,
Полученные данные экспериментов полностью подтвердили нашу гипотезу о том, что возможно произвести зарядку обычной пальчиковой батарейки в импульсном режиме.
Список литературы и ресурс интернета:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Схема экономичного импульсного фонарика на мультивибраторе
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Схемы гидротарана . Гидротаран своими руками. Гидротаран- источник неисчерпаемой чистой энергии
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный светодиодный фонарь
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный LED фонарик
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Зарядка мобильника от батарейки своими руками
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Делаем фонарик на светодиодах своими руками
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный светодиодный фонарик на одной батарейке
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный фонарь на 2-х батарейках (аккумуляторах)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Светодиодный фонарик с одной батарейкой. Радиотехника.
10. Справочник по транзисторам /В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. М., Энергоиздат, 1982г.
11. Справочник по диодам /В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. М., Энергоиздат, 1982г.
12. Искусство схемотехники перевод с английского под редакцией канд. техн. Наук М.В. Гальперина Москва «МИР», 1984 год.
Приложение 1.
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ
Дата
Вид деятельности
Полученный результат
Примечание
Сентябрь 2015г.
Выбор темы
Определился с темой исследования.
Электричество таит в себе ещё очень много тайн.
Октябрь 2015 – декабрь 2015г.
Исследовательские пробы
Собрана модель. Проведены исследования модели зарядного устройства батареек, занесённые в таблицы..
При проведении проб решено изменить электрическую схему
Январь
2016г
Оформление учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями районной НПК «Новое поколение»
Построены графики измерений.
Февраль
2016г.
Продолжение оформления учебно-исследовательской работы.
Оформление презентации.
25.02.16
Выступление на РНПК «Новое поколение»
Root Entry