Електромагнітний маятник

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип автоколивальної системи у вигляді електромагнітного маятника.

Обладнання:

– мідний емальований дріт діаметром 0,1…0,15 мм;

– паяльник, припій, паяльний флюс або каніфоль;

– макетна плата;

– біполярний pnp-транзистор BC327 або 2N3906;

– діод випрямний 1N4148, 1N4007 або інший з близькими параметрами;

– з’єднувальні провідники;

– елемент живлення «Крона» 9 В;

– тримач елементу живлення зі з’єднувальними проводами;

– капронова нитка;

– циліндричні неодимові магніти діаметром 10…15 мм;

– витратні матеріали: картон, пінопласт, пластикові трубочки і т. п.;

– клей ПВА.

Основні терміни та поняття

ВІЛЬНІ КОЛИВАННЯ МАЯТНИКІВ – ГАРМОНІЧНІ КОЛИВАННЯ Вимушені коливання. Резонанс. Автоколивальні системи. Автоколивальна система Електромагніт – Електромагнітні явища МАГНІТНЕ ПОЛЕ. МАГНІТНА ІНДУКЦІЯ ПОЛЯ

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип електромагнітного маятника

Механічними коливаннями називають рухи тіл, що повторюються через однакові проміжки часу. Пристрої, які можуть здійснювати коливання, називаються коливальними системами. Однією з найпростіших коливальних систем є, наприклад, маятник у вигляді твердого тіла, підвішеного на нитці.

Якщо тіло відхилити від положення рівноваги і відпустити, то маятник почне здійснювати коливання. Відомо, що коливання реального маятника є згасаючими, тому амплітуда коливань маятника буде поступово зменшуватися, і вони зрештою припиняться. Згасання коливань реального маятника зумовлене витратами механічної енергії на тертя у нитці, опір повітря тощо. Для того, щоб коливання маятника не припинялися, його треба періодично підштовхувати, тим самим передаючи йому механічну енергію для компенсації її витрат на тертя й опір середовища.

Вимушеними коливаннями називаються коливання, що відбуваються під дією зовнішньої періодичної сили. Вимушені коливання є незгасаючими.

Існують коливальні системи, у яких незгасаючі коливання виникають не за рахунок періодичного зовнішнього впливу, а в результаті того, що такі системи мають здатність самостійно регулювати надходження енергії від її постійного джерела. Такі системи називаються автоколивальними, а процес незгасаючих коливань у них – автоколиваннями.

В автоколивальній системі можна виділити три характерних елемента (рис. 2): коливальна система, джерело енергії і пристрій зворотного зв’язку між коливальною системою і джерелом енергії.

Рис. 2. Функціональна схема автоколивальної системи

Як коливальна система може виступати будь-яка механічна система, здатна здійснювати власні згасаючі механічні коливання, наприклад маятник настінного годинника. Джерелом енергії може бути потенціальна енергія вантажу в полі сили тяжіння або енергія деформованої пружини. Пристрій зворотного зв’язку – це деякий механізм, за допомогою якого автоколивальна система регулює надходження енергії від джерела.

Прикладом механічної автоколивальної системи може бути годинниковий механізм із анкерним ходом (рис. 3).

Рис. 3. Годинниковий механізм із анкерним ходом

Ходове колесо з косими зубцями жорстко зв’язане з зубчастим барабаном, через який перекинутий ланцюжок із гирею. На верхньому кінці маятника закріплений анкер із двома пластинами з твердого матеріалу, зігнутими по колу з центром на осі маятника.

Коливною системою в цьому годинниковому механізмі є маятник, джерелом енергії – підвішена в полі сили тяжіння гиря, а пристроєм зворотного зв’язку – анкер, що дає ходовому колесу можливість повернутися на один зубець за один півперіод.

Зворотний зв’язок здійснюється взаємодією анкера з ходовим колесом. При кожному коливанні маятника зубець ходового колеса штовхає анкер у напрямку руху маятника, передаючи йому деяку порцію енергії, яка компенсує витрати енергії на тертя. Так потенціальна енергія гирі поступово, окремими порціями, передається маятнику синхронно з його рухом.

Автоколивальні системи бувають не лише механічними. Вони можуть бути, наприклад, електромагнітними або комбінованими.

У цій практичній роботі пропонується виготовити й випробувати прототип автоколивальної системи з механічною коливальною системою, джерелом електричної енергії та електромагнітним пристроєм зворотного зв’язку.

Механічною коливальною системою є маятник, у якому як тіло, що здійснює коливання, застосований невеликий постійний магніт. Такий маятник може здійснювати вільні згасаючі коливання в полі сили тяжіння. Пристроєм зворотного зв’язку є електромагніт із керувальною електронною схемою, яка подає на нього живлення від джерела енергії протягом одного півперіоду коливань так, що електромагнітна сила діє на тіло синхронно в напрямку його руху. Джерелом енергії є батарея типу «Крона» (рис. 1).

Принципова схема електромагнітного пристрою зворотного зв’язку з підключенням джерела живлення представлена на рисунку 4.

Рис. 4. Схема електрична принципова пристрою зворотного зв’язку

Електромагнітна котушка, розташована під маятником, намотується на каркас без магнітного осердя і має дві однакових обмотки. Обмотка L1 є керувальною обмоткою. Котушка під маятником розташовується так, що коли маятник здійснює коливання під час його руху вниз або вгору, магнітне поле через обмотку L1 змінюється так, що напрямок ЕРС, яка виникає в котушці, відповідає напрямку струму, який відкриває транзистор Q1. При відкриванні транзистора струм від джерела живлення починає текти через обмотку L2, яка є електромагнітом. Електромагніт при цьому притягує або відштовхує маятник, передаючи йому деяку кількість енергії синхронно з власними коливаннями маятника.

Діод VD1 призначений для того, щоб у котушках не виникало електромагнітних коливань.

На рисунку 5 представлене розміщення виводів для транзисторів BC327 (а) та 2N3906 (б).

Рис. 5. Розміщення виводів транзисторів

Крапками біля обмоток на схемі показані їхні початки. Обмотки L1 та L2 намотуються одночасно. Такий спосіб намотування називається біфілярним. Схема намотування обмоток на каркас котушки показана на рисунку 6.

Рис. 6. Схема намотування котушки

Котушки намотуються емальованим мідним дротом діаметром 0,1…0,15 мм.

Хід роботи

1. Складіть із картону за допомогою клею ПВА каркас котушки за кресленням, представленим на рисунку 7. Почекайте, поки клей висохне.

Рис. 7. Креслення каркасу котушки

2. Візьміть 2 котушки з мідним емальованим дротом діаметром 0,1…0,15 мм та намотайте разом дві обмотки до заповнення каркасу відповідно до схеми на рисунку 6. Перед і після намотування залиште кінці дротів довжиною 10…15 см. Після намотування зафіксуйте кінці обмоток на котушці за допомогою ізоляційної стрічки.
3. Візьміть два з’єднувальні проводи під макетні плати, розріжте їх навпіл, зачистіть і підпаяйте до кінців обмоток. Заізолюйте місця спаювання. Надійно зафіксуйте виводи обмоток на котушці за допомогою ізоляційної стрічки так, щоб з котушки виходили кінці багатожильних з’єднувальних проводів.
4. З підручних матеріалів зробіть маятник із двома-трьома неодимовими магнітами, що виступатимуть як тягарці. Приклад виготовленого маятника представлений на рисунку 8.

Рис. 8. Маятник

Довжина осі маятника має дорівнювати 8…10 см.

5. Відхиліть маятник від положення рівноваги на кут близько 45º і відпустіть. Відмітьте час до повного припинення коливань або порахуйте кількість вільних коливань до повної зупинки.
6. Складіть на макетній платі схему відповідно до рисунку 3. Приклад складеної схеми наведений на рисунку 9.

Рис. 9. Приклад зібраної схеми

7. Розташуйте котушку під магнітами маятника (рис. 1) так, щоб з’єднувальні проводи не заважали його коливанням. Намагайтеся забезпечити мінімальну відстань між магнітами і котушкою.
8. Відхиліть маятник від положення рівноваги на кут близько 45º, відпустіть і відмітьте час або почніть рахувати коливання. Якщо коливання згасають, спробуйте змінити полярність підключення виводів обмоток котушки або перевернути магніти на маятнику і знову запустіть коливання. Під час правильної роботи електромагнітного маятника амплітуда його коливань через деякий проміжок часу набуває сталого значення і коливання можуть продовжуватися досить довго, до повного розряду батареї живлення. Схема при роботі споживає малі струми, тому батареї типу «Крона» може вистачити на тривалий час роботи в декілька тижнів, або навіть більше. Під час перебування маятника у стані спокою схема взагалі не споживає струму.

Аналіз даних

Дійдіть висновків про принцип дії автоколивальних систем.

Виміряйте і порівняйте частоту вільних коливань маятника і частоту автоколивань системи. Зробіть висновки.