Исследование явления самоиндукции и возможность его практического применения в фонарике на светодиодах

Районная научно-практическая конференция «Новое поколение Курагинского района»
для 8-11 классов

Полное название темы работы
Исследование явления самоиндукции и возможность его практического применения в фонарике на светодиодах

Название секции
Физика.

Тип работы
Исследовательская работа

Возрастная номинация
8-11 класс

Фамилия, имя автора, дата рождения
Рябинин Егор Романович
08.10.2001г. р.

Домашний адрес автора
с. Шалоболино, ул. Ленина, 57
662931

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
-

Ответственный за корректуру текста работы
Грищенко Ольга Леонидовна, куратор по работе с одаренными детьми

e-mail контактный телефон
s-181@yandex.ru
(39136)73-2-93

АННОТАЦИЯ
Рябинин Егор
с. Шалоболино МБОУ Шалоболинская СОШ №18, 8 класс
«Исследование явления самоиндукции и возможность его практического применения в фонарике на светодиодах»
Руководитель: Борисов Евгений Васильевич, учитель физики
Цель исследования:
Исследовать явление самоиндукции и проверить возможность его использования в быту.
Методы проведённых исследований:
Эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.
Основные результаты работы:
1. Познакомился со свойствами магнитного поля и в частности с явлением самоиндукции в катушке индуктивности.
2. Познакомился с информацией о практическом применении явления самоиндукции в электрических схемах, в частности в устройстве светодиодного фонарика.
3. Научился работать с паяльником.
4. Узнал на практике, что такое транзистор, конденсатор, диод, светодиод, сопротивление и как они обозначаются на электрических схемах.
6. Изготовлена модель светодиодного фонарика на основании блокинг-генератора с использованием гальванической батарейки 1,5В.
7. Проведены исследования работы мультивибратора в устройстве фонарика с использованием явления самоиндукции в катушке индуктивности.
8. Результаты исследований занесены в таблицы и на основании полученных данных построены графические зависимости.
9. Сделаны выводы об экономичной работе светодиодного фонарика с использованием явления самоиндукции.

ВВЕДЕНИЕ
Науку всё глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного, жаждой томись.Лишь первых познаний блеснёт тебе свет,Узнаешь: предела для знания нет.Наука не знает добра и зла.Лишь к истине вечной ведёт и вела.
Сейчас довольно актуальна тема энергосбережения и экологичности систем. В мире актуальна тема светодиодного освещения. Причина такого интереса – достаточно хорошая экономия потребления электрического тока. Мы привыкли, что в наших домах источником света могут быть лампочки накаливания или ртутные энергосберегающие лампы. Недостаток первых в том, что они очень имеют большое потребление по сравнению со вторыми. Недостаток вторых опасность содержания ртути в лампе, что требует специального утилизирования. В наше время очень активно развивается светодиодное направление. У светодиодов отсутствуют те два недостатка, о которых упоминалось выше. В нашей школе есть уже освещение с помощью светодиодных матриц. Освещение очень хорошее и самое главное более экономичное.
Светодиоды активно используются в фонариках. Например, туристы, находящиеся в походах, как известно, очень берегут свои карманные фонарики, не включают их без надобности, экономят энергию гальванических батарей. У выпускающихся промышленностью фонариков, есть существенный недостаток, не позволяют изменять яркость свечения лампочки. Ввести в фонарик регулятор яркости несложно, если использовать мультивибратор с катушкой индуктивности.[1] Для своего полного свечения им необходимо напряжение 3В. Значит это минимум две батарейки. Но если увеличивать количество светодиодов тогда необходимо увеличивать и количество батареек. Но если использовать катушку индуктивности то можно не увеличивать количество батареек, а результат будет тот же.[2] Можно даже от одной батарейки в 1,5В запитать несколько светодиодов и получить тот же результат.[3]
И мне стало интересно, как такое возможно при напряжении 1,5В получить напряжение в 3,5В и больше.

Цель исследования:
Исследовать явление самоиндукции и проверить возможность его использование в быту.
Основные задачи:
Расширить уровень знаний в области электрических и магнитных явлений в практическом конструировании мультивибратора с индуктивностью на ферритовом кольце.
Изготовить и исследовать рабочую модель светодиодного фонарика с использованием из доступных приборов и материалов в школьной лаборатории.
Исследовать эффект самоиндукции в экспериментальных моделях и проанализировать полученные результаты эксперимента по параметрам: напряжение и сила тока.
Проблема: Изготовление светодиодного фонарика на одной гальванической (пальчиковой) батарейке 1,5В.
Гипотеза: предполагаю, что возможны способы экономичного использования энергии гальванических батарей.
Методы проведённых исследований:
изучение и анализ информации,
изготовление генератора и эксперимент,
наблюдение и обобщение собственного опыта работы,
сравнительный анализ результатов

Глава 1. Изучение и анализ информации.
Исследуя информацию в интернете, об экономичных фонариках нашлось несколько схем, с помощью которых можно запитать светодиод и даже несколько. Вот одна из первых схем мультивибратора (смотри Рис.1), которая нас заинтересовала.[4] Работа данной схемы основана на преобразовании низкого напряжения батарейки равное 1,5В почти в два раза и способна обеспечить работу яркого белого светодиода. Схема работает в автоколебательном режиме с повышением напряжением до
· 3,5-3,7 В. Как работает мультивибратор? При включении питания в цепи вторичной обмотке трансформатора и резистора образуется достаточный уровень тока для открывания транзистора VT2. Одновременно, в первичной обмотке происходит накопление энергии магнитного поля и увеличивается ток на коллекторе транзистора VT2. Этот процесс длится до тех пор, пока ток базы будет удерживать транзистор в насыщении (в открытом состоянии). После того, как транзистор выйдет из насыщения магнитный поток трансформатора и напряжения на вторичной обмотке изменят свою полярность. В течение времени разряда в первичной обмотке трансформатора в базе транзистора VT2, которой прикладывается обратное смешение, создаваемое напряжением на вторичной обмотке. Так как на коллекторе транзистора VT1 появляется обратное напряжение напряжению на базе, то он открывается, ускоряя закрывание транзистора VT2. В момент, когда транзистор VT2 закрыт, возникает всплеск напряжения в первичной обмотке трансформатора, которое добавляется к напряжению источника питания и передается через диод на конденсатор и светодиод. Из-за большой частоты работы мультивибратора, светодиод для наблюдателя светит ровным ярким белым светом.
Второй вариант, который нас заинтересовал это схема, которая питается также от одной пальчиковой батареи и представляет собой блокинг-генератор (смотри Рис.2). Импульсы повышенного напряжения появляются на коллекторе транзистора VT1, выпрямляются диодом Шоттки и заряжают конденсатор, с которого идет разряд на светодиод. [5]
Разбираясь с работой этих схем видно, что в них используется явление самоиндукции. Это явление возникает при разрыве цепи во время протекания электрического тока в катушке индуктивности, что приводит к всплеску напряжения на концах катушки (смотри Рис.3). Для того чтобы понять явление самоиндукции надо знать, что такое магнитное поле и как оно взаимодействует с электрическими зарядами в проводнике. Данное явление напоминает чем-то явление инерции в механике. Если взять движущийся автомобиль и резко его затормозить, он проедет какое-то расстояние по инерции, так как автомобиль обладает массой. Остановиться мгновенно он не сможет, так как для этого требуется время, чтобы погасить энергию движения силой торможения. То же самое происходит и в катушке индуктивности. При нарастающем протекании электрического тока через катушку часть энергии протекающего тока будет переходить в магнитное поле катушки. Если быстро разорвать электрическую цепь, то энергия накопленного магнитного поля катушки, будет ещё какое-то время поддерживать направление течения тока внутри провода, из которого намотана катушка индуктивности. На том конце катушки индуктивности, где произошёл разрыв, произойдёт резкое увеличение количества электронов, что вызовет соответственно всплеск напряжения на концах катушки, превышающий напряжение источника тока более чем в два раза. Именно этот всплеск является импульсом самоиндукции (смотри рис.4), который нас и интересует. Именно при работе мультивибратора возникают эти всплески, которые проходя через диод, накапливаются на конденсаторе, повышая напряжение большее, чем на источнике тока. И если к конденсатору подключить светодиод он начнёт светиться, так как амплитуда напряжения импульсов самоиндукции будет достаточной для работы светодиода. Поэтому одно из практических применений явления самоиндукции – это светодиодный фонарик, работающий на одной пальчиковой батарейке. В наших схемах используется транзистор как ключ, который размыкает и замыкает электрическую цепь. Диод обычно используется как «клапан», который в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Конденсатор работает как «ведро» то есть как емкость, в которую можно заливать электричество и расходовать.
Изученная информация по явлению самоиндукции, помогла мне расширить понимание об электрических и магнитных явлениях. Познакомился с интересным свойством магнитного поля:
Вокруг проводников с током образуется магнитное поле, которое действует на электрические заряды, в параллельном проводнике, приводя их в движение.
При пропускании переменного электрического тока в первичной обмотке трансформатора можно получить переменное магнитное поле, которое создаёт ЭДС - движение электрических зарядов (электронов) во вторичной обмотке. Это явление называется трансформация.
Если в катушке, по которой проходит электрический ток и произвести быстрое отключение, то произойдёт резкое возрастание напряжения на концах катушки ввиде импульса напряжения, а следовательно тока.
Созданы управляемые устройства прерывания электрического тока (блокинг-генераторы, мультивибраторы), в которые используют явление самоиндукции, в катушке индуктивности получая серию импульсов, для повышения напряжения на выходе.
Светодиод, может работать в нормальном режиме только при напряжении 3В и более. Поэтому если вы возьмёте одну батарейку 1,5В, ваш светодиод не засветится. Благодаря явлению самоиндукции изобретены электрические устройства для практического применения в быту, например светодиодные фонарики, работающие от одной батарейки 1,5В.
.
Глава 2. Сборка схем и проведение измерений
электрических параметров.
Собрав схему №1, были проведены, измерения следующих параметров: напряжение на батарейке в вольтах (В), напряжение на конденсаторе в вольтах (В), ток потребления схемы в миллиамперах (мА) и яркость свечения светодиода определялась на «глаз». Трансформатор T1 наматывается вручную на кольцевом ферритовом сердечнике. Мы взяли ферритовое кольцо размером К40
·12
·10 и намотали две обмотки по 20 витков проводом ПЭЛ 0.3. Для наилучшего КПД и яркости можно подбирать экспериментально количество витков на ферритовом кольце. Для сборки экспериментальной схемы мы использовали пластину из текстолита размером 12
·8 см. Просверлили в ней отверстия и соединили наши радиоэлементы проводами, припаивая концы проводов с концами радиодеталей. В схеме используется отечественные транзисторы КТ315И, с низким падением напряжения для достижения максимального КПД. Выходной ток можно регулировать резистором R1. На рис.2 показана осциллограмма на коллекторе транзистора VT2, где видно как работает транзистор в режиме мультивибратора, тем самым создавая в катушке импульсы напряжения
·3,7В, превышающие напряжение на батарейке =1,5В (Рис.2). Пробная модель позволяет включить в качестве нагрузки параллельно несколько белых ярких светодиодов (от 1до 10 штук). При этом только увеличится ток потребления.
Используя данные таблицы №1, были построены графики зависимости электрических величин от даты проведения измерений.
Таблица №1. Измерения электрических параметров схемы №1
Дата

Время
(ч)
Напряжение
на батарейке
(В)
Напряжение
на светодиоде
(В)
Ток потребле-
ния фонарика (мА)
Яркость свечения светодиода

18.10.2015г
17-03
1.634
3,736
13
100%

20-25
1.394
3,568
12,5

19.10.2015г
7-00
1.233
3,478
12
90%

21-00
1.12
3,486
11,5

20.10.2015г
7-00
0.945
3,218
11
80%

19-00
0.694
3,084
10,5

21.10.2015г
7-00
0,698
3,046
10
70%

21-00
0.524
3,058
9,5

22.10.2015г
7-00
0,578
3,029
9
60%

19-00
0.489
3,033
8,5

23.10.2015г
7-00
0.509
3,006
8,2
50%

21-00
0.469
3,003
8

24.10.2015г
7-00
0.456
2,945
7,5
45%

20-00
0.441
2,913
7,3

25.10.2015г
9-00
0.437
2.898
7
40%

18-00
0.434
2,854
6,5
30%

изменение силы тока фонарика,
изменение яркости свечения светодиода (условно),
изменение напряжения на светодиоде,
изменение напряжения на батарейке.

25.10.2015г. яркость свечения светодиода упала до
·40% и мы прекратили испытание. Заметно интересное поведение силы тока и напряжения на светодиоде. Когда напряжение упало примерно до трёх вольт 23.10.2015г, схема начала работать более экономично. Видимо, это связано с тем, что уменьшилось потребление светодиода.
Вторая схема также питается от одной пальчиковой батареи и представляет собой блокинг-генератор. Импульсы повышенного напряжения появляется на коллекторе транзистора VT1, выпрямляются диодом Шоттки и заряжают конденсатор. Трансформатор T1 наматывается вручную на кольцевом сердечнике из ферритового материала. Результаты измерений занесены в таблицу №2.
Таблица №2 Измерения электрических параметров схемы №2
Дата
Время
Напряжение
на батарейке
(В)
Напряжение
на светодиоде (В)
Ток потребле-
ния фонарика (мА)
Яркость
свечения
светодиода

04.11.2015
14-30
1.551
3,579
16
100%

15-30
1.546
3,566
16

05.11.2015
7-30
1.387
3,522
15,5
95%

18-30
1.340
3,482
15

06.11.2015
8-05
1,337
3,309
14,5
90%

21-10
1,334
3,184
14

07.11.2015
7-45
1.330
3,146
13,5
85%

20-50
1,294
3,058
13

08,11,2015
7-45
1,245
3,051
12,5
80%

17-00
1.207
3,043
12

09.11.2015
7-30
1.163
3,021
11,5
75%

20-25
1.129
3,015
11

10.11.2015
7-30
1.063
2,967
10,5
70%

20-10
1.009
2,943
10

11.11.2015
7-20
0.869
2,910
9,5
60%

18-15
0.816
2.894
9,0

12.11.2015
7-40
0.765
2,842
8,5
50%

20-00
0,728
2,826
8
50%

13.11.2015
7-30
0,702
2,805
7,5
40%

Графическое представление полученных данных измерений из таблицы №2
13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415

Полученные результаты:
В первой электрической схеме фонарика измерения проводились 8 дней.
Начальное напряжение на питающей батарейке 1,634В, конечное 0,434В.
Разница составила 1,634В - 0,434В = 1,2В
Во второй схеме измерения проводились 10 дней.
Начальное напряжение на питающей батарейке 1,551В, конечное 0,702В.
Разница составила 1,551 – 0,702В = 0,849В
Второй вариант устройства светодиодного фонарика имеет запас по потреблению тока на несколько дней больше чем первый вариант, что показывает наилучшею экономичность потребления тока батарейки.
В первой схеме фонарика используется 2 транзистора. Во второй схеме используется 1 транзистор, который работает в режиме мультивибратора (открывается и закрывается во автоматическом режиме). Экономия радиоэлементов и результат лучше, чем в первом варианте.
Яркость светодиодов падает прямо пропорционально силе тока потребления фонарика.
Полученные результаты показали что данное направление имеет перспективу для дальнейшего совершенствования получения очень малого потребления от источника тока. Магнитное поле таит в себе ещё очень много не известных свойств.

Заключение. Выводы
1. Познакомился и исследовал на практике одно из свойств магнитного поля - это явление самоиндукции в катушке индуктивности.
2. Познакомился с информацией о практическом применении явления самоиндукции в электрических схемах, в частности в устройстве светодиодного фонарика.
3. Научился работать с паяльником.
4. Узнал на практике, что такое транзистор, конденсатор, диод, светодиод, сопротивление и как они обозначаются на электрических схемах.
6. Изготовлена модель светодиодного фонарика на основании мультивибратора с использованием 1,5В батарейки.
7. Проведено исследование работы мультивибратора в устройстве фонарика с использованием явления самоиндукции в катушке индуктивности.
8. Результаты исследования занесены в таблицы и на основании полученных данных построены графические диаграммы.
9. Сделаны выводы об экономичной работе светодиодного фонарика с использованием явления самоиндукции.
10. Наш вариант фонарика – не законченный вариант. Есть идеи, как сделать его ещё более экономичным. Надеюсь продолжить работу и предложить на рассмотрение новый вариант экономичного светодиодного фонарика к следующей научной конференции.

Библиографический список:
1. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Схема экономичного импульсного фонарика на мультивибраторе
2. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный светодиодный фонарь
3. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный LED фонарик
4. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Делаем фонарик на светодиодах своими руками
5. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный светодиодный фонарик на одной батарейке
6. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный фонарь на 2-х батарейках (аккумуляторах)
7. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] светодиодный фонарик с одной батарейкой. Радиотехника.
8.http://poselenie.ucoz.ru/publ/gidrotaran_alternativnyj_istochnik_ehnergii_gidrotaran_svoimi_rukami/6-1-0-95 Схемы гидротарана . Гидротаран своими руками
9.. Справочник по транзисторам /В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. М., Энергоиздат, 1982г.
10. Справочник по диодам /В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. М., Энергоиздат, 1982г.
11. 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. Работа с информацией о явлении самоиндукции и его практическом применении в схемотехнике.
Определился с темой исследования «Исследование явления самоиндукции и возможность его практического применения в фонарике на светодиодах»
Магнетизм таит в себе ещё очень много тайн.

Сентябрь 2015г.
Работа с информацией о явлении самоиндукции и его практическом применении в схемотехнике.
Создан библиографический список используемой информации
Выбраны две электрические схемы для проверки нашей гипотезы.

Октябрь 2015 –
Изготовление первой пробной модели фонарика.

Собрана первая модель в экспериментальном варианте на текстолитовой плате.
При проведении проб решено изменить электрическую схему

Октябрь 2015г.
Исследовательские пробы Проводились измерения напряжения и силы тока.
Полученные измерения заносились в таблицу №1

Октябрь 2015 –
Изготовление второй пробной модели фонарика.

Собрана вторая модель в экспериментальном варианте на текстолитовой плате.

Ноябрь 2015г.
Начало оформления исследовательской работы
Написаны: аннотация, введение, глава1.

Ноябрь 2015г.
Исследовательские пробы Проводились измерения напряжения и силы тока.
Полученные измерения заносились в таблицу №2

Декабрь
2015г
Оформление учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями районной НПК «Новое поколение»
Оформлен черновой вариант научно-исследовательской работы.
Данные занесены в таблицы, построены графики полученных измерений

январь 2016г.
Дальнейшее оформление научно-исследовательской работы.
Оформлена электронная версия научно-исследовательской работы.

Январь 2016г.
Оформление презентации исследовательской работы
Презентация.

Февраль 2016г
Презентация своей работы в школе 8-10 классы

25.02.16
Выступление на РНПК «Новое поколение»

13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415

Root Entry