Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 25. Электромагнитные явления
Дальше: Эксперимент 27. Разбираем динамик
Эксперимент 26. Настольная электростанция
В эксперименте 5 вы увидели, что химические реакции могут производить электричество. Теперь пришло время познакомиться с электрическим током, созданным с помощью магнита.
Что вам понадобится
• Кусачки, инструмент для зачистки проводов, тестовые провода, мультиметр
• Цилиндрический неодимовый магнит диаметром 5 мм и длиной 4 см, намагниченный вдоль оси (1 шт.)
• Монтажный провод калибра 26 (диаметр 0,4 мм), 24 (0,5 мм) или 22 (0,64 мм), всего 60 метров
• Слаботочный светодиод (1 шт.)
• Конденсатор емкостью 1000 мкФ (1 шт.)
• Переключательный диод, серии 1N40001 или аналогичный (1 шт.)
Необязательные принадлежности:
• Цилиндрический неодимовый магнит диаметром 2 см и длиной 2,5 см, намагниченный вдоль оси (1 шт.)
• Деревянная шпонка диаметром 12,5 мм и длиной не менее 150 мм
• Стальной винт, типоразмер 6, с плоской головкой
• Полихлорвиниловая водопроводная труба, внешний диаметр 19 мм, длина не менее 15 см
• Два куска фанеры толщиной 6 мм и размером 10x10 см каждый (вам понадобится кольцевая пила или сверло Форстнера диаметром 25 мм, чтобы просверлить отверстие в фанере)
• Катушка обмоточного провода, около 100 граммов, 26-го калибра (диаметр 0,4 мм), примерно 9 метров (1 шт.)
Методика проведения эксперимента
Сначала вам понадобится магнит. Неодимовые магниты самые сильные из доступных, и они достаточно дешевые, если вы выберете маленький цилиндрический образец. Будет достаточно магнита диаметром 5 мм и длиной 4 см. Плотно намотайте на него десять витков провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), как показано на рис. 5.16. После этого немного ослабьте провод, чтобы магнит мог перемещаться внутри обмотки.
Настройте мультиметр на измерение переменного напряжения в милливольтах (не постоянного, потому что мы будем иметь дело с переменными импульсами электричества). Снимите немного изоляции с каждого конца обмотки и подключите щупы мультиметра с помощью тестовых проводов с зажимами «крокодил». Зажмите магнит между большим и указательным пальцами и быстро переместите его взад и вперед внутри обмотки. Полагаю, ваш мультиметр должен показать значение от 3 до 5 мВ. Да, такой маленький магнит и десять витков провода могут сгенерировать лишь несколько милливольт.
Рис. 5.16. Всего десяти витков провода окажется достаточным, чтобы создать небольшой электрический потенциал, при перемещении магнита
Рис. 5.17. Увеличение числа витков провода приведет к росту напряжения при движении магнита сквозь них
Попробуйте сделать обмотку побольше, в два слоя, как показано на рис. 5.17. Снова быстро переместите магнит. Вы должны обнаружить, что напряжение возросло.
Вспомните формулу из предыдущего эксперимента, в котором я показывал, как электрический ток, проходящий через большее количество витков провода, индуцирует более сильное магнитное поле. Эта формула работает и в обратной ситуации. Когда магнит движется внутри обмотки, большее число витков будет индуцировать более высокое напряжение.
Это заставило меня задуматься — если у нас будет более крупный и сильный магнит и много витков провода, сможем ли выработать достаточное количество электроэнергии, чтобы обеспечить питание, скажем, светодиода?
Зажигаем светодиод
Я собираюсь использовать провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), поскольку вы уже покупали его для других экспериментов. Сложность в том, что его диаметр довольно большой, а слой изоляции толстый. Двести витков этого провода займут много места. Вот почему нам предпочтительнее обмоточный провод из чистой меди с очень тонким изолирующим покрытием из шеллака или из полимерной пленки, который предназначен для очень плотной намотки.
Но если вы не захотите тратить деньги на катушку обмоточного провода, с учетом того, что вы вряд ли найдете ему другое применение, то мне нужно было проверить, подойдет ли монтажный провод 22-го калибра для этого эксперимента. С натяжкой можно сказать, что подойдет.
В любом случае понадобится порядка 60 метров провода. На это придется потратить немного денег, но монтажный провод вы всегда сможете использовать для обычных целей, например, для создания перемычек для макетной платы.
При намотке катушки можно соединить несколько отрезков провода, а если крепко скрутить зачищенные концы, то вам не придется их паять.
Вам понадобится также более мощный магнит. Самый маленький из тех, что заработали у меня, имеет цилиндрическую форму, длиной 2,5 см и диаметром 2 см. Он намагничен вдоль оси, т.е. его северный и южный полюсы находятся на противоположных концах его оси.
ЗамечаниеОсь — это воображаемая линия, которая проходит через центр цилиндра параллельно его закругленной поверхности. Вы можете представить цилиндр как вал, вращающийся вокруг своей оси.
Завершенный вариант устройства показан на рис. 5.18. Магнит находится справа. Каркас катушки я сделал из фанеры толщиной 6 мм, она чуть больше 10 см в диаметре. Через центр продета пластиковая труба для воды диаметром 19 мм, ее внутренний диаметр лишь немного больше, чем диаметр магнита, и поэтому магнит может свободно скользить сквозь нее.
Рис. 5.18. Двести витков провода 22-го калибра на самодельной катушке, магнит и деревянная шпонка
Чтобы сделать катушку, наденьте фанерные круги на трубку. Теперь вам нужно намотать 60 метров провода на эту катушку, позаботившись о том, чтобы у вас оставался доступ к внутреннему концу провода. Я просверлил небольшое отверстие в одном из фанерных кругов, рядом с центром, и вывел провод через это отверстие.
Ширина катушки, которую вы будете наматывать, должна быть такой же, как длина магнита, а магнит внутри трубы должен полностью входить в катушку с любой стороны. Изображение устройства в разрезе на рис. 5.19 поясняет, что я имею в виду.
Чтобы было удобно держать магнит, я просверлил отверстие в одном торце деревянной шпонки диаметром 12 мм и вкрутил туда винт типоразмера 6, с плоской головкой. После этого можно держать шпонку как ручку, а магнит надежно притягивается к винту.
Переходим к наиболее интересной части. Подключите концы вашей катушки ко входам мультиметра с помощью тестовых проводов с «крокодилами» и настройте прибор на измерение переменного напряжения, как делали это раньше. Однако в этот раз установите предел шкалы 2 В.
Рис. 5.19. Устройство электрогенератора, способного зажечь светодиод
Вставлять и вытаскивать магнит, прикрепленный к шпонке, нужно как можно быстрее. Как вариант, отделите магнит от шпонки, опустите его в трубку, зажмите катушку между указательным и большим пальцем и встряхивайте ее вверх и вниз. Если вы усердно поработаете, то мультиметр покажет напряжение около 0,8 В.
Вы приложили столько усилий, а получили меньше вольта? Да, но ваш мультиметр показывает среднее значение. Амплитуда каждого импульса, возможно, была больше.
Отключите тестовые провода от мультиметра и подключите их к слаботочному светодиоду. Закрепите светодиод так, чтобы он не болтался по сторонам. Теперь, если энергично двигать магнит, то думаю, вы сможете заметить мигание светодиода. Если он не мигает, измените ориентацию магнита в трубке и попробуйте снова. Чтобы все заработало, вам нужен именно слабо- точный светодиод.
Необязательные улучшения
Если вы готовы потратить чуть больше денег, то сможете получить более впечатляющие результаты.
Для начала возьмите магнит побольше. Я получил отличные результаты с магнитом длиной 5 см и диаметром 1,5 см. Естественно, для такого магнита понадобится трубка большего диаметра.
Далее, купите катушку подходящего обмоточного провода. Я использовал около 150 метров провода 26-го калибра (диаметр 0,4 мм). Его очень легко приобрести онлайн, поставщиков много.
Если вам повезет, то обмоточный провод будет намотан на пластиковую катушку с отверстием, которое лишь немного больше диаметра вашего магнита. Или же, что еще лучше, катушка обмоточного провода обеспечит вам доступ к «хвосту» провода, торчащему из центра катушки (обведен окружностью слева на рис. 5.20).
Рис. 5.20. Катушка обмоточного провода с доступным внутренним концом (выделен окружностью)
Чтобы удалить тонкую пленку изоляции с концов обмоточного провода, вы можете очень аккуратно соскрести его лезвием ножа или зачистить мелкой наждачной бумагой. Проверьте с помощью увеличительного стекла, всю ли изоляцию вы удалили. Можете также подключить мультиметр, чтобы проверить сопротивление, которое должно быть меньше 100 Ом.
Теперь вы можете подключить светодиод к концам обмоточного провода на катушке и сгенерировать электрический ток, перемещая магнит к центру катушки и обратно, как показано на рис. 5.21.
Если катушка неподходящего размера или конец провода недоступен, то вам необходимо всего лишь перемотать провод с одной катушки на другую. Предположим, у вас есть 150 метров провода. Чтобы его перемотать, понадобится сделать около 2000 витков. Если вы делаете 4 витка в секунду, то весь процесс займет 500 секунд — меньше 10 минут, что вполне приемлемо.
На рис. 5.22 показано более мощное устройство, которое я сконструировал с целью демонстрации. Катушка обмоточного провода покрыта эпоксидным клеем, чтобы она не разматывалась, кроме того, я надежно закрепил трубу в корпусе из пластика. Неодимовый магнит притягивается к стальному винту на конце алюминиевого стержня, который также показан на фотографии.
Рис. 5.21. Устройство готово к выработке электроэнергии
Рис. 5.22. Демонстрационная установка электрогенератора
Я подключил к катушке два ярких светодиода, соединив их встречно. Когда магнит скользит вверх и вниз, светодиоды попеременно загораются. Их противоположная полярность показывает, что напряжение проходит по катушке в одном направлении при движении вверх и в другом направлении при движении вниз (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Светодиодный генератор в действии
Техника безопасности при работе с магнитами
Будьте осторожны при экспериментах с магнитами, т. к. неодим обладает рядом особенностей.
Неодимовые магниты можно сломать. Они хрупкие и могут расколоться при сильном ударе о кусок металла (или о другой магнит). По этой причине производители рекомендуют надевать защитные очки.
Вы можете легко защемить кожу и получить кровоподтек (или хуже). Поскольку по мере приближения магнита к другому предмету сила притяжения увеличивается, в самом конце пути его перемещение становится стремительным и непредсказуемым.
Магниты никогда не «отдыхают». В мире электроники мы склонны полагать, что если что-то выключено, то мы не должны о нем беспокоиться. К магнитам это не относится. Они всегда «ощущают» окружающую среду и когда обнаруживают магнитный объект, они хотят его приблизить, сразу же. Результат может оказаться плачевным, особенно если объект имеет острые края, а ваша рука находится на его пути. Когда вы работаете с магнитом, создайте вокруг него свободное пространство без металлических предметов, а также остерегайтесь магнитных предметов под поверхностью. Например, мой магнит обнаружил стальной винт, вкрученный в нижнюю поверхность кухонной столешницы, и неожиданно устремился к нему. Это трудно воспринимать всерьез, пока такое не случится с вами.
Внимание!Не забавляйтесь с неодимовыми магнитами. Соблюдайте осторожность.
Также помните о том, что магниты намагничивают другие предметы. Когда магнитное поле проходит через железный или стальной объект, он приобретает некоторые магнитные качества. Если вы носите наручные часы, старайтесь не намагнитить их. Если у вас смартфон, держите его подальше от магнитов. Влиянию магнитных полей подвержен любой компьютер или дисковый накопитель. Магнитную полоску на кредитной карте легко размагнитить. Держите магниты подальше от экрана телевизора и видеомониторов (особенно ЭЛТ). И последнее, но не менее важное: мощные магниты могут влиять на нормальную работу кардиостимуляторов.
Заряд конденсатора
Можно попробовать провести еще один опыт. Отключите светодиод от катушки и подсоедините электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ последовательно с диодом серии 1N4001, как показано на рис. 5.24. К выводам конденсатора подключите мультиметр, измеряющий постоянное напряжение (на этот раз не переменное).
Если ваш мультиметр имеет ручную настройку диапазона, установите его как минимум на 2 В постоянного тока. Убедитесь в том, что положительный (немаркированный) вывод диода присоединен к отрицательной (маркированной) обкладке конденсатора так, чтобы положительное напряжение проходило через конденсатор и затем через диод.
Теперь энергично передвигайте магнит в катушке вверх и вниз. Мультиметр должен показать, что конденсатор накапливает заряд. Когда вы перестаете двигать магнит, показания напряжения станут медленно снижаться, в основном, потому, что конденсатор разряжается через внутреннее сопротивление мультиметра.
Этот эксперимент более важен, чем кажется. Учитывайте то, что когда вы вталкиваете магнит в катушку, он индуцирует ток в одном направлении, а когда вынимаете — в другом. Фактически, вы создаете переменный ток.
Рис. 5.24. Диод позволяет заряжать конденсатор от катушки с магнитом
Диод позволяет току течь в цепи только в одном направлении. Он блокирует противоположно направленный ток, и таким образом конденсатор накапливает заряд. Если вы сделаете заключение о том, что диоды позволяют преобразовать переменный ток в постоянный, то будете абсолютно правы. Мы говорим, что диод «выпрямляет» переменный ток.
Переходим к исследованию звука
Эксперимент 25 показал, что подача напряжения может порождать магнит. Эксперимент 26 продемонстрировал, что перемещение магнита может генерировать напряжение. Теперь мы готовы применить эти принципы для обнаружения и воспроизведения звука.
