Неподвижный проводящий контур, находящийся в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени. — Студопедия

Поделись  

. Иллюстрация правила Ленца. В этом примере а инд < 0. Индукционный ток Iиндтечет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что _инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной

l скользит со скоростью по двум другим сторонам (рис. 1.20.3).

Рисунок 1.20.3. Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен

FЛ = eυB

Работа силы F_Л на пути l равна

A = FЛ · l = eυBl.

По определению ЭДС

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для _инд можно придать привычный вид. За время Δt площадь контура изменяется на ΔS =lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ =

BlυΔt. Следовательно,

Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей _инд и нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали и положительное направление обхода контура как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.

Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный I_инд = _инд/R. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера . Для случая, изображенного на рис. 1.20.3, модуль силы Ампера равен F_A = I B l. Сила Ампера направлена навстречу движению проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δ

t эта работа A_мех равна

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не являетсяпотенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физикомДж. Максвеллом в 1861 г.

Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Модель. Электромагнитная индукция

Модель. Опыты Фарадея

Модель. Генератор переменного тока

ЭДС взаимоиндукции.

Взаимоиндукция (взаимная индукция)— возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Взаимоиндукция — частный случай более общего явления — электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через (воображаемую) поверхность, «натянутую» на контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике.

Если второй проводник замкнут, то под действием ЭДС взаимоиндукции в нём образуется индуцированный ток. И наоборот, изменение тока во второй цепи вызовет появление ЭДС в первой. Направление тока, возникшего при взаимоиндукции, определяется по правилу Ленца. Правило указывает на то, что изменение тока в одной цепи (катушке) встречает противодействие со стороны другой цепи (катушки).

Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимоиндукция между цепями. С количественной стороны явление взаимоиндукции характеризуется взаимной индуктивностью (коэффициентом взаимоиндукции, коэффициентом связи). Для изменения величины индуктивной связи между цепями, катушки делают подвижными. Приборы, служащие для изменения взаимоиндукции между цепями, называются вариометрами связи.

Е12 =—Е21

Индуктивность.

 

Индуктивностью принято называть физическую (электрическую) величину, характеризующую магнитные свойства электрических цепей. Магнитное поле создается электрическим током, протекающим через проводящий контур. Так происходит вследствие того, что электрический ток с самого начала содержит в себе энергию. Когда электроток проходит через проводник, он отдает часть энергии, которая будет превращена в энергию для магнитного поля. Таким образом, индуктивность рассматривают как коэффициент пропорциональности между возникающим магнитным полем и протекающим током.
В случае, когда ток является переменным и магнитное поле в индуктивном контуре меняется, то возникает ЭДС самоиндукции.

Единицу измерения индуктивности обозначают буквой «L», измеряют в 1 Гн (генри). Принято считать, что катушка индуктивности будет иметь значение 1 Гн том случае, когда происходит изменение величины тока в 1 А, а за время в одну секунду 1с возникает ЭДС значением 1 В.

Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком, называемым также потокосцеплением, создаваемым этим током через поверхност, краем которой является этот контур.

Индуктивность является электрической инерцией, подобной механической инерции тел. А вот мерой этой электрической инерции как свойства проводника может служить ЭДС самоиндукции. Характеризуется свойством проводника противодействовать появлению, прекращению и всякому изменению электрического тока в нём.

В формуле:

{\displaystyle \displaystyle \Psi =LI}

Индуктивность соленоида, т.е. очень длинной однослойной катушки т.е. длина катушки l во много раз больше ее диаметра d, определяется формулой:L = μ₀μn²V,

где μ – относительная магнитная проницаемость сердечника соленоида, n – число витков, приходящееся на единицу длины, т.е. n = N/l, V – объем соленоида, равный πd²l/4.

Единицей индуктивности является генри (Гн). Индуктивностью 1 Гн обладает такой проводник, в котором при изменении тока на 1 А в 1 с возникает э.д.с. самоиндукции 1 В. Из формулы (1) следует, что 1 Гн = 1 В∙с/А.



Введение в теорию электромагнитной индукции

Цель: дать понятие о явлении электромагнитной индукции, его закономерностях и причинах, вызывающих данное явление.

Задачи:

• расширить знания учащихся о магнитных и электрических полях, ознакомив их с новым вихревым электрическим полем и фундаментальным свойством этих полей – взаимной пораждаемостью вихревого магнитного и вихревого электрического поля;
• развивать научный взгляд на природу физических явлений, убеждая учащихся в объективности законов реального мира и их познаваемости;
• развивать физическую логику, выяснять причинно-следственные связи при решении расчетных и логических задач;
• обеспечить наглядность физического эксперимента, учить наблюдательности.

Для реализации этих задач я тщательно поэлементно продумываю все части урока, так как планирование каждого занятия – это сложный в творческом отношении этап в работе каждого учителя, требующий от него профессиональных знаний, мастерства и учительской интуиции одновременно.

Вовлечь всех ребят в работу по узнаванию нового, поддерживать их активность в течение всего урока позволяет метод создания проблемных ситуаций и творческий поиск ответов на поставленные задачи. При этом на каждом уроке должна создаваться атмосфера теплоты и доброжелательности между учителем и ребятами. Ведь надо вместе решать проблемы! Состояние эмоционального настроения, увлеченность, взволнованность учителя и учащихся должны насыщать весь процесс познания.

Высокий темп урока мне удается обеспечивать комментированным управлением творческого процесса. Комментированное управление – это выработка навыка: наблюдаю – мыслю – рассуждаю – делаю выводы.

Комментированное управление состоит:

• из коллективного исполнения, когда под руководством учителя сами учащиеся мобилизуют свои силы, выясняют причинно-следственные связи явления, делают выводы и строят опорные логические цепочки;
• из обратной связи – коллективного воспроизведения: применения логических цепочек при поиске ответов на поставленные задачи, при закреплении нового материала.

Логические цепочки позволяют учить детей мыслить вслух, опираясь на опорно-логические схемы. Это способствует повышению уровня речевой культуры и сильных, и слабых учащихся, помогают свободно и логично излагать физический материал (тренировка монологической речи).

Приведу примеры составления и использования опорно-логических цепочек при введении понятия электромагнитной индукции и изучении закономерностей этого явления в 11-м классе.

Первое, что необходимо сделать учителю – вызвать живой интерес к изучению нового материала. Использую для этого катушку Томсона с принадлежностями: проводящий контур из нескольких витков медной проволоки, замкнутый на электрическую лампочку (3,5В – 4,5В), закрепленный на деревянной панельке, и набор толстых сплошных колец из меди и алюминия, свободно надеваемых на железный сердечник катушки.

Наблюдение 1. Прошу учеников внимательно наблюдать опыт и по-возможности его объяснить. Свои действия за демонстрационным столом я подробно комментирую: подключаю катушку Томсона к источнику переменного напряжения (220В), подношу проводящий контур с маленькой электрической лампочкой к сердечнику катушки Томсона и осторожно надеваю его на сердечник. Лампочка загорается, то ярче, то слабее, когда контур перемещается вдоль сердечника. Это наблюдение вызывает удивление всех учащихся. Возникает проблема: “Почему загорается лампочка, надетая на сердечник?”. Что является причиной возникновения электрического тока в замкнутом контуре? Чтобы закрепить интерес к новой теме, я провожу 2-е наблюдение: надеваю несколько колец на сердечник. Они под тяжестью падают вниз. Подключаю катушку Томсона к напряжению (~220В). Учащиеся восторженно удивлены: кольца взлетают вверх вдоль сердечника и “парят” в воздухе. Я несколько затягиваю опыт с парением колец. При отключении тока кольца падают вниз. Далее ученик, пожелающий мне помочь освободить сердечник от колец, неожиданно бросает их и говорит, что они сильно нагреты и обжигают руки. Это еще больше удивляет их. Я кратко комментирую опыт. Все, что сейчас наблюдали ученики (свечение лампочки проводящего контура и нагревание сплошных колец) – это проявление явления электромагнитной индукции в разных вариантах, которые широко используются в технике, в частности, для плавки металлов в вакууме и производства электроэнергии. А ведь электроэнергетика – это основа промышленного производства и экономики любой страны. Оно проникло во все стороны человеческой деятельности, и, сегодня делает нашу жизнь такой комфортной.

Итак, задача нашего урока следующая: выяснить причину возникновения электромагнитной индукции и ее закономерности. Возвращаемся к опыту №1 и попытаемся его объяснить: Почему загорается лампочка? Почему нагреваются кольца? Слушаю разные мнения учащихся. Но для того, чтобы был сформулирован верный ответ, надо с большой тщательностью повторить отдельные вопросы электродинамики 10 класса, учитывая то обстоятельство, что юноши и девушки легко забывают прошлогодний материал. Для быстрого и осмысленного повторения я применяю транспаранты к графопроектору (или в бумажном исполнении на доске). Подключаю весь класс к репродуктивному мышлению, ставя и решая одну задачу за другой, не снижая темпа.

С помощью транспаранта №1 учащиеся в процессе беседы воспроизводят в памяти необходимые знания: условия возникновения тока в замкнутой цепи.

1. Ток в замкнутой электрической цепи возникает тогда, когда в цепи действуют сторонние силы. Они работают в источнике, разделяют заряды и накапливают их на полюсах, обеспечивая постоянную разность потенциалов на полюсах источника тока. А значит во внешней цепи, подключенной к зажимам источника тока, создается электрическое поле, которое перемещает заряд q от к

2. Мерой работы сторонних сил в источнике тока является Э.Д.С. источник тока.

3. Величина тока I в замкнутой цепи определяется по закону Ома:

4. Если же внешнюю цепь разомкнуть, то на концах разомкнутой цепи будет разность потенциалов, численно равная ЭДС источника.

Повторив эти положения, возвращаемся к опыту №1, ученики из активной беседы формулируют (путем отбора предложений) вывод:

Чтобы в замкнутой цепи возник ток, в ней должны действовать сторонние силы (правило №1).

Вопрос: Какова природа сторонних сил в этом опыте? Что работает внутри контура и зажигает лампочку? Какие сторонние силы могут привести свободные заряженные частицы в проводнике в направленное движение?

Идет отбор предложений. Кто-то из учащихся предлагает, что сторонними силами может быть магнитное поле сердечника. “Оно приводит в движение свободные заряженные частицы в контуре”. Но другие учащиеся высказываются отрицательно, так как знают из предыдущей темы правило: магнитное поле действует только на движущиеся заряды, поэтому магнитное поле сердечника не может их привести в движение. И только сейчас ученики понимают, что неподвижные заряженные частицы в проводящем контуре может привести в движение только электрическое поле. Да! Оно действует в плоскости контура! Оно направленно горизонтально, перпендикулярно магнитным силовым линиям сердечника! Но откуда оно взялось? Новая проблема!

Чтобы ученики дали правильный ответ, я предлагаю наблюдать следующий опыт: подключаю ту же катушку Томсона к источнику постоянного тока. Вношу в магнитное поле сердечника проводящий контур. Лампочка не зажигается, тока в контуре нет! А в опыте №1 ток в проводящем контуре есть! Почему? Новая проблема.

Прошу учащихся сравнить магнитные поля в пространстве вокруг сердечника и сформулировать ответ на вопрос. Он однозначен: только переменное магнитное поле могло создать вокруг себя переменное электрическое поле, которое действует в плоскости контура, перпендикулярно линиям индукции магнитного поля катушки и сердечника, и создает электрический ток в контуре. В этом учащиеся убеждаются на опыте при изменении плоскости ориентации контура относительно магнитопровода катушки с переменным током.

Продолжаем рассуждать используя транспарант №2. Это новый вид электрического поля: оно вихревое, его силовые линии в отличие от электрического поля замкнуты. Оно не связано с зарядами. Оно порождается переменным магнитным вихревым полем и его всегда можно обнаружить в пространстве вокруг переменного магнитного поля с помощью замкнутого проводящего контура. В этом еще раз убеждаются учащиеся, наблюдая за другим традиционным опытом с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, и постоянным магнитом.

На вопрос: “Что работает в проводящем контуре?” или “Что является причиной возникновения электрического тока в проводящем контуре, помещенном в переменное магнитное поле?”, учащиеся сознательно отвечают: “Работают сторонние силы в виде вихревого поля. Эта работа измеряется ЭДС, действующей вдоль контура и создающей в контуре электрический ток, величина которого прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению контура по закону Ома:

Установив причину возникновения тока в контуре, вместе с классом строим рисунок и составляем логическую цепочку процесса возникновения электромагнитной индукции. Процесс построения комментируется учителем и вырастает на “глазах” ребят.

R – это сопротивление проводящего контура [Ом].

S – площадь, ограниченная проводящим контуром [м²].

N – число витков в проводящем контуре.

~Ф_внеш.S – переменный внешний магнитный поток, пронизывающий контур площадью S.

Эта цепочка раскрывает причинно-следственные связи явления. Пользуясь ею, учащиеся сознательно объясняют явление электромагнитной индукции. Цепочку можно читать слева направо, справа налево, или с середины, как захотят ребята.

Составляем правило вслух, сопровождая слова движением указки. Пробуем читать логическую цепочку слева направо.

1. Явление, при котором переменный внешний магнитный поток, пронизывающий проводящий контур, наводит в нем ЭДС индукции, которая в замкнутом контуре создает индукционный ток, а в разомкнутом контуре индукционную разность потенциалов, численно равную ЭДС индукции.
2. Справа налево читается так: Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре под действием , возникающей в контуре при изменении внешнего магнитного потока, пронизывающего данный контур.
3. Явлением электромагнитной индукции (Э.М.И.) называется явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре под действием переменного внешнего магнитного потока, пронизывающего данный контур, в результате чего в замкнутом контуре возникает индукционный ток , а в разомкнутом контуре – индукционная разность потенциалов, численно равная ЭДС индукции

Далее, эту цепочку дополняем знаниями, добытыми из серии опытов с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, с разным числом витков, с разной скоростью движения магнита, объясняющей от чего зависит величина ЭДС индукции. Формулируем закон Фарадея, введя понятие скорости изменения магнитного потока. Дописываем цепочку. В конечном виде она выглядит так, как изображено на транспаранте №3.

Теперь следующая задача. Используя логическую цепочку, научить учащихся анализу и алгоритму решения задач по данной теме. Не мешает повторение сведений по магнитному потоку, используя готовый транспарант №4.

Пример решения расчетно-логической задачи с постановкой вопросов, следующих друг за другом.

В проводящем контуре сопротивлением R=5.Ом изменяется магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, так, как показано на графике зависимости Ф от t. Ответить на вопросы:

1. В какие промежутки времени в проводящем контуре возникает ЭДС индукции? Объяснить.
2. В какие промежутки времени ЭДС индукции будет максимальной? Объяснить и рассчитать.
3. Построить график зависимости ЭДС индукции от времени в соответствии с графиком зависимости Ф от t. Что означает знак (-) (Ответ: направление индукционного тока).
4. В какие моменты времени в пространстве, окружающим проводящий контур, возникнет вихревое поле?
5. В какие моменты времени в проводящем контуре возникает индукционный ток? Как его можно рассчитать (Ответ: по закону Ома).
6. Как бы вы рассчитали напряженность вихревого электрического поля в проводнике. (Ответ: Е=

В расчетных задачах я требую, чтобы учащиеся выполняли анализ условия по алгоритму в такой последовательности:

Анализ:

1. Явление электромагнитной индукции: ~
2. По закону Фарадея:
4. или
6. q –
заряд, протекающий в контуре за время t:
7. E_{вихр.эл.п.}

В виде расчетной задачи можно предложить следующую:

Плоская рамка площадью 0,1м², ограниченная проводящим контуром с сопротивлением 5.Ом, находится в магнитном поле, индукция которого за время t изменяется от 2Тл до -2Тл. Какой заряд протечет по контуру за время t, если вектор индукции перпендикулярен плоскости рамки.

Методом указанного анализа учащиеся легко получают расчетную формулу для заряда:

Вызывают затруднение у ребят логические задачи.

Пример 1. На транспаранте изображено неоднородное магнитное поле с силовыми линиями, идущими из плоскости листа. Две одинаковые проволочные рамки движутся с одинаковыми скоростями в разных направлениях. В каком случае возникнет ток в рамке? Можно дать ответ на выбор:

• только в I рамке
• только во II рамке
• в обоих рамках
• ни в одной рамке

Многие учащиеся выбирают ошибочный ответ 3), упуская из логической цепочки главное: изменение магнитного потока ?Ф_sс течением времени, а это происходит только в I рамке. Верный ответ 1).

Допускают ошибки в логических задачах в тех случаях, когда необходимо представить изменение магнитного потока при поворотах рамки в однородном магнитном поле.

Пример 2. Одна и та же рамка вращается в одном и том же однородном магнитном поле вокруг вертикальной оси (I случай), в другом случае вокруг горизонтальной оси (II случай), с одинаковой частотой. В какой из них возникнет индукционный ток? Одинакова ли будет в рамках?

Ученики делают ошибки, так как не могут оценить изменение магнитного потока при повороте рамки. Надо им помочь представить, как изменяется число силовых линий (условно), проходящих через площадь рамки (к примеру: 100 силовых линий через площадь рамки – это соответствует Ф_{s max}, то при повороте рамки их число уменьшается, следовательно и Ф_s тоже уменьшается, и т.д. ). Ответ: только в I рамке.

Пример 3. В однородном магнитном поле вокруг оси ОО₁ с одинаковой частотой вращаются две рамки. Возникнет ли в обоих рамках? В какой из них возникнет большая ЭДС?

Учащиеся, отвечая на вопрос, используя логическую цепочку, сравнивая изменение магнитного потока при повороте на одинаковые углы, должны использовать формулу и и , так как , S₁=S₂, и углы при повороте изменяются одинаково.

Подводя итоги, анализируя ошибки, еще раз напоминаем ученикам, что главное в явлении электромагнитной индукции является левая часть логической цепочки, проявляющаяся в законе Фарадея в виде выражения: . А знак минус в формуле Фарадея, определяет направление индукционного тока. Знать это правило необходимо потому, что знак (-) – это проявление закона природы и его надо не только видеть, читать, но и понимать, так как без знания правила Ленца человек не смог бы создать индукционные генераторы электрической энергии – основу энергетики, ни трансформаторов, ни электродвигателей.

Понять правило Ленца и научиться применять его на практике – задача следующих уроков.

Приложение 1

Зависимость эдс от магнитного потока. Разработка урока»Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция». Лабораторная работа «Исследование явления электромагнитной индукции»

Индукционный ток это такой ток, который возникает в замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Этот ток может возникать в двух случаях. Если имеется неподвижный контур, пронизываемый изменяющимся потоком магнитной индукции. Либо когда в неизменном магнитном поле движется проводящий контур, что также вызывает изменение магнитного потока пронизывающего контур.

Рисунок 1 — Проводник перемещается в неизменном магнитном поле

Причиной возникновения индукционного тока является вихревое электрическое поле, которое порождается магнитным полем. Это электрическое поле действует на свободные заряды, находящиеся в проводнике, помещенном в это вихревое электрическое поле.

Рисунок 2 — вихревое электрическое поле

Также можно встретить и такое определение. Индукционный ток это электрический ток, который возникает вследствие действия электромагнитной индукции. Если не углубляется в тонкости закона электромагнитной индукции, то в двух словах ее можно описать так. Электромагнитная индукция это явление возникновение тока в проводящем контуре под действие переменного магнитного поля.

С помощью этого закона можно определить и величину индукционного тока. Так как он нам дает значение ЭДС, которая возникает в контуре под действие переменного магнитного поля.

Формула 1 — ЭДС индукции магнитного поля .

Как видно из формулы 1 величина ЭДС индукции, а значит и индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока пронизывающего контур. То есть чем быстрее будет меняться магнитный поток, тем больший индукционный ток можно получить. В случае, когда мы имеем постоянное магнитное поле, в котором движется проводящий контур, то величина ЭДС будет зависеть от скорости движения контура.

Чтобы определить направление индукционного тока используют правило Ленца. Которое гласит что, индукционный ток направлен навстречу тому току, который его вызвал. Отсюда и знак минус в формуле для определения ЭДС индукции.

Индукционный ток играет важную роль в современной электротехнике. Например, индукционный ток, возникающий в роторе асинхронного двигателя, взаимодействует с током, подводимым от источника питания в его статоре, вследствие чего ротор вращается. На этом принципе построены современные электродвигатели.

Рисунок 3 — асинхронный двигатель.

В трансформаторе же индукционный ток, возникающий во вторичной обмотке, используется для питания различных электротехнических приборов. Величина этого тока может быть задана параметрами трансформатора.

Рисунок 4 — электрический трансформатор.

И наконец, индукционные токи могут возникать и в массивных проводниках. Это так называемые токи Фуко. Благодаря им можно производить индукционную плавку металлов. То есть вихревые токи, текущие в проводнике вызывают его разогрев. В зависимости от величины этих токов проводник может разогреваться выше точки плавления.

Рисунок 5 — индукционная плавка металлов.

Итак, мы выяснили, что индукционный ток может оказывать механическое, электрическое и тепловое действие. Все эти эффекты повсеместно используются в современном мире, как в промышленных масштабах, так и на бытовом уровне.

ИНДУКЦИОННЫЙ ТОК — это электрический ток, возникающий при изменении потока магнитной индукции в замкнутом проводящем контуре. Это явление носит название электромагнитной индукции. Хотите узнать какое направление индукционного тока? Росиндуктор — это торговый информационный портал, где вы найдете информацию про ток.

Определяющее направление индукционного тока правило звучит следующим образом: «Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван». Правая рука развернута ладонью навстречу магнит¬ным силовым линиям, при этом большой палец направлен в сторону движения проводника, а четыре пальца по-казывают, в каком направлении будет течь индукционный ток. Перемещая проводник, мы перемещаем вместе с проводчиком все электроны, заключенные в нем, а при перемещении в магнитном поле электрических зарядов на них будет действовать сила по правилу левой руки.

Направление индукционного тока, как и его величина, определяется правилом Ленца, в котором говорится, что направление индукционного тока всегда ослабляет действие фактора, возбудившего ток. При изменении потока магнитного поля через контур направление индукционного тока будет таким, чтобы скомпенсировать эти изменения. Когда магнитное поле возбуждающее ток в контуре создается в другом контуре, направление индукционного тока зависит от характера изменений: при увеличении внешнего тока индукционный ток имеет противоположное направление, при уменьшении — направлен в ту же сторону и стремиться усилить поток.

Катушка с индукционным током имеет два полюса (северный и южный), которые определяются в зависимости от направления тока: индукционные линии выходят из северного полюса. Приближение магнита к катушке вызывает появление тока с направлением, отталкивающим магнит. При удалении магнита ток в катушке имеет направление, способствующее притягиванию магнита.

Индукционный ток возникает в замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Контур может быть как неподвижным (помещенным в изменяющийся поток магнитной индукции), так и движущимся (движение контура вызывает изменение магнитного потока). Возникновение индукционного тока обуславливает вихревое электрическое поле, которое возбуждается под воздействием магнитного поля.

О том, как создать кратковременный индукционный ток можно узнать из школьного курса физики.

Для этого есть несколько способов:

• — перемещение постоянного магнита или электромагнита относительно катушки,
• — перемещение сердечника относительно вставленного в катушку электромагнита,
• — замыкание и размыкание цепи,
• — регулирование тока в цепи.

Основной закон электродинамики (закон Фарадея) гласит, что сила индукционного тока для любого контура равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур, взятой со знаком минус. Сила индукционного тока носит название электродвижущей силы.

9.5. Индукционный ток

9.5.1. Тепловое действие индукционного тока

Возникновение ЭДС приводит к появлению в проводящем контуре индукционного тока , сила которого определяется по формуле

I i = | ℰ i | R ,

где ℰ i — ЭДС индукции, возникающая в контуре; R — сопротивление контура.

При протекании индукционного тока в контуре выделяется теплота , количество которой определяется одним из выражений:

Q i = I i 2 R t , Q i = ℰ i 2 t R , Q i = I i | ℰ i | t ,

где I i — сила индукционного тока в контуре; R — сопротивление контура; t — время; ℰ i — ЭДС индукции, возникающая в контуре.

Мощность индукционного тока вычисляется по одной из формул:

P i = I i 2 R , P i = ℰ i 2 R , P i = I i | ℰ i | ,

где I i — сила индукционного тока в контуре; R — сопротивление контура; ℰ i — ЭДС индукции, возникающая в контуре.

При протекании индукционного тока в проводящем контуре через площадь поперечного сечения проводника переносится заряд , величина которого вычисляется по формуле

q i = I i ∆t ,

где I i — сила индукционного тока в контуре; Δt — интервал времени, в течение которого по контуру течет индукционный ток.

Пример 21. Кольцо, изготовленное из проволоки с удельным сопротивлением 50,0 ⋅ 10 −10 Ом ⋅ м, находится в однородном магнитном поле с индукцией 250 мТл. Длина проволоки равна 1,57 м, а площадь ее поперечного сечения составляет 0,100 мм 2 . Какой максимальный заряд пройдет по кольцу при выключении поля?

Решение . Появление ЭДС индукции в кольце вызвано изменением потока вектора индукции, пронизывающего плоскость кольца, при выключении магнитного поля.

Поток индукции магнитного поля через площадь кольца определяется формулами:

• до выключения магнитного поля

Ф 1 = B 1 S  cos α,

где B 1 — первоначальное значение модуля индукции магнитного поля, B 1 = 250 мТл; S — площадь кольца; α — угол между направлениями вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра) к плоскости кольца;

• после выключения магнитного поля

Ф 2 = B 2 S  cos α = 0,

где B 2 — значение модуля индукции после выключения магнитного поля, B 2 = 0.

∆Ф = Ф 2 − Ф 1 = −Ф 1 ,

или, с учетом явного вида Ф 1 ,

∆Ф = −B 1 S  cos α.

Среднее значение ЭДС индукции, возникающей в кольце при выключении поля,

| ℰ i | = | Δ Ф Δ t | = | − B 1 S cos α Δ t | = B 1 S | cos α | Δ t ,

где ∆t — интервал времени, за который происходит выключение поля.

Наличие ЭДС индукции приводит к появлению индукционного тока; сила индукционного тока определяется законом Ома:

I i = | ℰ i | R = B 1 S | cos α | R Δ t ,

где R — сопротивление кольца.

При протекании индукционного тока по кольцу переносится индукционный заряд

q i = I i Δ t = B 1 S | cos α | R .

Максимальному значению заряда соответствует максимальное значение функции косинус (cos α = 1):

q i max = I i Δ t = B 1 S R .

Полученная формула определяет максимальное значение заряда, который пройдет по кольцу при выключении поля.

Однако для расчета заряда необходимо получить выражения, которые позволят найти площадь кольца и его сопротивление.

Площадь кольца — площадь круга радиусом r , периметр которого определяется формулой длины окружности и совпадает с длиной проволоки, из которой изготовлено кольцо:

l = 2πr ,

где l — длина проволоки, l = 1,57 м.

Отсюда следует, что радиус кольца определяется отношением

r = l 2 π ,

а его площадь —

S = π r 2 = π l 2 4 π 2 = l 2 4 π .

Сопротивление кольца задается формулой

R = ρ l S 0 ,

где ρ — удельное сопротивление материала проволоки, ρ = 50,0 × × 10 −10 Ом ⋅ м; S 0 — площадь поперечного сечения проволоки, S 0 = = 0,100 мм 2 .

Подставим полученные выражения для площади кольца и его сопротивления в формулу, определяющую искомый заряд:

q i max = B 1 l 2 S 0 4 π ρ l = B 1 l S 0 4 π ρ .

Вычислим:

q i max = 250 ⋅ 10 − 3 ⋅ 1,57 ⋅ 0,100 ⋅ 10 − 6 4 ⋅ 3,14 ⋅ 50,0 ⋅ 10 − 10 = 0,625 Кл = 625 мКл.

При выключении поля по кольцу проходит заряд, равный 625 мКл.

Пример 22. Контур площадью 2,0 м 2 и сопротивлением 15 мОм находится в однородном магнитном поле, индукция которого возрастает на 0,30 мТл в секунду. Найти максимально возможную мощность индукционного тока в контуре.

Решение . Появление ЭДС индукции в контуре вызвано изменением потока вектора индукции, пронизывающего плоскость контура, при изменении индукции магнитного поля с течением времени.

Изменение потока вектора индукции магнитного поля определяется разностью

∆Ф = ∆BS  cos α,

где ∆B — изменение модуля индукции магнитного поля за выбранный интервал времени; S — площадь, ограниченная контуром, S = 2,0 м 2 ; α — угол между направлениями вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра) к плоскости контура.

Среднее значение ЭДС индукции, возникающей в контуре, при изменении индукции магнитного поля:

| ℰ i | = | Δ Ф Δ t | = | Δ B S cos α Δ t | = Δ B S | cos α | Δ t ,

где ∆B /∆t — скорость изменения модуля вектора индукции магнитного поля с течением времени, ∆B /∆t = 0,30 мТл/с.

Появление ЭДС индукции приводит к появлению индукционного тока; сила индукционного тока определяется законом Ома:

I i = | ℰ i | R = Δ B S | cos α | R Δ t ,

где R — сопротивление контура.

Мощность индукционного тока

P i = I i 2 R = (Δ B Δ t) 2 S 2 R cos 2 α R 2 = (Δ B Δ t) 2 S 2 cos 2 α R .

Максимальному значению мощности индукционного тока соответствует максимальное значение функции косинус (cos α = 1):

P i max = (Δ B Δ t) 2 S 2 R .

Вычислим:

P i max = (0,30 ⋅ 10 − 3) 2 (2,0) 2 15 ⋅ 10 − 3 = 24 ⋅ 10 − 6 Вт = 24 мкВт.

Максимальная мощность индукционного тока в данном контуре равна 24 мкВт.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории поля объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле, способное действовать на другие движущиеся электрические заряды.

В — физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Она называется магнитной индукцией (или индукцией магнитного поля).

Магнитная индукция — векторная величина. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине:

Единица магнитной индукции . В Международной системе единиц за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (сокращенно: Тл), в честь выдающегося югославского физика Н. Тесла:

СИЛА ЛОРЕНЦА

Движение проводника с током в магнитном поле показывает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды. На проводник действует сила Ампера F А = IBlsin a , а сила Лоренца действует на движущийся заряд:

где a — угол между векторами B и v .

Движение заряженных частиц в магнитном поле. В однородном магнитном поле на заряженную частицу, движущуюся со скоростью перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила м, постоянная по модулю и направленная перпендикулярно вектору скорости.Под действием магнитной силы частица приобретает ускорение, модуль которого равен:

В однородном магнитном поле эта частица движется по окружности. Радиус кривизны траектории, по которой движется частица, определяется из условияоткуда следует,

Радиус кривизны траектории является величиной постоянной, поскольку сила, перпендикулярная вектору скорости, меняется только ее направление, но не модуль. А это и означает, что данная траектория является окружностью.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что период обращения частицы в однородном магнитном поле не зависит от скорости и радиуса траектории ее движения.

Если напряженность электрического поля равна нулю, то сила Лоренца л равна магнитной силе м:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Явление электромагнитной индукции открыл Фарадей, который установил, что в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток при любом изменении магнитного поля, пронизывающего контур.

МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Магнитный поток Ф (поток магнитной индукции) через поверхность площадью S — величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла а между вектором и нормалью к поверхности:

Ф=BScos

В СИ единица магнитного потока 1 Вебер (Вб) — магнитный поток через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, индукция которого равна 1 Тл:

Электромагнитная индукция -явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Возникающий в замкнутом контуре, индукционный ток имеет такое направление, что своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван (правило Ленца).

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Известно, что если в цепи появился ток, это значит, что на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура называется электродвижущей силой (ЭДС). Найдем ЭДС индукции ε i .

По закону Ома для замкнутой цепи

Так как R не зависит от , то

ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током, а этот ток в соответствии с правилом Ленца направлен так, что созданный им магнитный поток противодействует изменению внешнего магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ

Опыт показывает, что магнитный поток Ф , связанный с контуром, прямо пропорционален силе тока в этом контуре:

Ф = L*I .

Индуктивность контура L — коэффициент пропорциональности между проходящим по контуру током и созданным им магнитным потоком.

Индуктивность проводника зависит от его формы, размеров и свойств окружающей среды.

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении магнитного потока, вызванном изменением тока, проходящего через сам контур.

Самоиндукция — частный случай электромагнитной индукции.

Индуктивность — величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на единицу за единицу времени. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В. Эта единица называется генри (Гн):

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Явление самоиндукции аналогично явлению инерции. Индуктивность при изменении тока играет ту же роль, что и масса при изменении скорости тела. Аналогом скорости является сила тока.

Значит энергию магнитного поля тока можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела :

Предположим, что после отключения катушки от источника,ток в цепи убывает со временем по линейному закону.

ЭДС самоиндукции имеет в этом случае постоянное значение:

где I — начальное значение тока, t — промежуток времени, за который сила тока убывает от I до 0.

За время t в цепи проходит электрический заряд q = I cp t . Так как I cp = (I + 0)/2 = I/2 , то q=It/2 . Поэтому работа электрического тока:

Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки. Таким образом, снова получаем:

Пример. Определите энергию магнитного поля катушки, в которой при токе 7,5 А магнитный поток равен 2,3*10 -3 Вб. Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшиться вдвое?

Энергия магнитного поля катушки W 1 = LI 1 2 /2. По определению, индуктивность катушки L = Ф/I 1 . Следовательно,

Темы кодификатора ЕГЭ : явление электромагнитной индукции, магнитный поток, закон электромагнитной индукции Фарадея, правило Ленца.

Опыт Эрстеда показал, что электрический ток создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Майкл Фарадей пришёл к мысли, что может существовать и обратный эффект: магнитное поле, в свою очередь, порождает электрический ток.

Иными словами, пусть в магнитном поле находится замкнутый проводник; не будет ли в этом проводнике возникать электрический ток под действием магнитного поля?

Через десять лет поисков и экспериментов Фарадею наконец удалось этот эффект обнаружить. В 1831 году он поставил следующие опыты.

1. На одну и ту же деревянную основу были намотаны две катушки; витки второй катушки были проложены между витками первой и изолированы. Выводы первой катушки подключались к источнику тока, выводы второй катушки — к гальванометру (гальванометр — чувствительный прибор для измерения малых токов). Таким образом, получались два контура: «источник тока — первая катушка» и «вторая катушка — гальванометр».

Электрического контакта между контурами не было, только лишь магнитное поле первой катушки пронизывало вторую катушку.

При замыкании цепи первой катушки гальванометр регистрировал короткий и слабый импульс тока во второй катушке.

Когда по первой катушке протекал постоянный ток, никакого тока во второй катушке не возникало.

При размыкании цепи первой катушки снова возникал короткий и слабый импульс тока во второй катушке, но на сей раз в обратном направлении по сравнению с током при замыкании цепи.

Вывод .

Меняющееся во времени магнитное поле первой катушки порождает (или, как говорят, индуцирует ) электрический ток во второй катушке. Этот ток называется индукционным током .

Если магнитное поле первой катушки увеличивается (в момент нарастания тока при замыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в одном направлении.

Если магнитное поле первой катушки уменьшается (в момент убывания тока при размыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в другом направлении.

Если магнитное поле первой катушки не меняется (постоянный ток через неё), то индукционного тока во второй катушке нет.

Обнаруженное явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией (т. е. «наведение электричества магнетизмом»).

2. Для подтверждения догадки о том, что индукционный ток порождается переменным магнитным полем, Фарадей перемещал катушки друг относительно друга. Цепь первой катушки всё время оставалась замкнутой, по ней протекал постоянный ток, но за счёт перемещения (сближения или удаления) вторая катушка оказывалась в переменном магнитном поле первой катушки.

Гальванометр снова фиксировал ток во второй катушке. Индукционный ток имел одно направление при сближении катушек, и другое — при их удалении. При этом сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее перемещались катушки .

3. Первая катушка была заменена постоянным магнитом. При внесении магнита внутрь второй катушки возникал индукционный ток. При выдвигании магнита снова появлялся ток, но в другом направлении. И опять-таки сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее двигался магнит.

Эти и последующие опыты показали, что индукционный ток в проводящем контуре возникает во всех тех случаях, когда меняется «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур. Сила индукционного тока оказывается тем больше, чем быстрее меняется это количество линий. Направление тока будет одним при увеличении количества линий сквозь контур, и другим — при их уменьшении.

Замечательно, что для величины силы тока в данном контуре важна лишь скорость изменения количества линий. Что конкретно при этом происходит, роли не играет — меняется ли само поле, пронизывающее неподвижный контур, или же контур перемещается из области с одной густотой линий в область с другой густотой.

Такова суть закона электромагнитной индукции. Но, чтобы написать формулу и производить расчёты, нужно чётко формализовать расплывчатое понятие «количество линий поля сквозь контур».

Магнитный поток

Понятие магнитного потока как раз и является характеристикой количества линий магнитного поля, пронизывающих контур.

Для простоты мы ограничиваемся случаем однородного магнитного поля. Рассмотрим контур площади , находящийся в магнитном поле с индукцией .

Пусть сначала магнитное поле перпендикулярно плоскости контура (рис. 1 ).

Рис. 1.

В этом случае магнитный поток определяется очень просто — как произведение индукции магнитного поля на площадь контура:

(1)

Теперь рассмотрим общий случай, когда вектор образует угол с нормалью к плоскости контура (рис. 2 ).

Рис. 2.

Мы видим, что теперь сквозь контур «протекает» лишь перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (а та составляющая, которая параллельна контуру, не «течёт» сквозь него). Поэтому, согласно формуле (1), имеем . Но , поэтому

(2)

Это и есть общее определение магнитного потока в случае однородного магнитного поля. Обратите внимание, что если вектор параллелен плоскости контура (то есть ), то магнитный поток становится равным нулю.

А как определить магнитный поток, если поле не является однородным? Укажем лишь идею. Поверхность контура разбивается на очень большое число очень маленьких площадок, в пределах которых поле можно считать однородным. Для каждой площадки вычисляем свой маленький магнитный поток по формуле (2) , а затем все эти магнитные потоки суммируем.

Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб). Как видим,

Вб = Тл · м = В · с. (3)

Почему же магнитный поток характеризует «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур? Очень просто. «Количество линий» определяется их густотой (а значит, величиной — ведь чем больше индукция, тем гуще линии) и «эффективной» площадью, пронизываемой полем (а это есть не что иное, как ). Но множители и как раз и образуют магнитный поток!

Теперь мы можем дать более чёткое определение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем.

Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур .

ЭДС индукции

Каков механизм возникновения индукционного тока? Это мы обсудим позже. Пока ясно одно: при изменении магнитного потока, проходящего через контур, на свободные заряды в контуре действуют некоторые силы — сторонние силы , вызывающие движение зарядов.

Как мы знаем, работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура называется электродвижущей силой (ЭДС): . В нашем случае, когда меняется магнитный поток сквозь контур, соответствующая ЭДС называется ЭДС индукции и обозначается .

Итак, ЭДС индукции — это работа сторонних сил, возникающих при изменении магнитного потока через контур, по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура .

Природу сторонних сил, возникающих в данном случае в контуре, мы скоро выясним.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Сила индукционного тока в опытах Фарадея оказывалась тем больше, чем быстрее менялся магнитный поток через контур.

Если за малое время изменение магнитного потока равно , то скорость изменения магнитного потока — это дробь (или, что тоже самое, производная магнитного потока по времени).

Опыты показали, что сила индукционного тока прямо пропорциональна модулю скорости изменения магнитного потока:

Модуль поставлен для того, чтобы не связываться пока с отрицательными величинами (ведь при убывании магнитного потока будет ). Впоследствии мы это модуль снимем.

Из закона Ома для полной цепи мы в то же время имеем: . Поэтому ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

(4)

ЭДС измеряется в вольтах. Но и скорость изменения магнитного потока также измеряется в вольтах! Действительно, из (3) мы видим, что Вб/с = В. Стало быть, единицы измерения обеих частей пропорциональности (4) совпадают, поэтому коэффициент пропорциональности — величина безразмерная. В системе СИ она полагается равной единице, и мы получаем:

(5)

Это и есть закон электромагнитной индукции или закон Фарадея . Дадим его словесную формулировку.

Закон электромагнитной индукции Фарадея . При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции, равная модулю скорости изменения магнитного потока .

Правило Ленца

Магнитный поток, изменение которого приводит к появлению индукционного тока в контуре, мы будем называть внешним магнитным потоком . А само магнитное поле, которое создаёт этот магнитный поток, мы будем называть внешним магнитным полем .

Зачем нам эти термины? Дело в том, что индукционный ток, возникающий в контуре, создаёт своё собственное магнитное поле, которое по принципу суперпозиции складывается с внешним магнитным полем.

Соответственно, наряду с внешним магнитным потоком через контур будет проходить собственный магнитный поток, создаваемый магнитным полем индукционного тока.

Оказывается, эти два магнитных потока — собственный и внешний — связаны между собой строго определённым образом.

Правило Ленца . Индукционный ток всегда имеет такое направление, что собственный магнитный поток препятствует изменению внешнего магнитного потока .

Правило Ленца позволяет находить направление индукционного тока в любой ситуации.

Рассмотрим некоторые примеры применения правила Ленца.

Предположим, что контур пронизывается магнитным полем, которое возрастает со временем (рис. (3) ). Например, мы приближаем снизу к контуру магнит, северный полюс которого направлен в данном случае вверх, к контуру.

Магнитный поток через контур увеличивается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы создаваемый им магнитный поток препятствовал увеличению внешнего магнитного потока. Для этого магнитное поле, создаваемое индукционным током, должно быть направлено против внешнего магнитного поля.

Индукционный ток течёт против часовой стрелки, если смотреть со стороны создаваемого им магнитного поля. В данном случае ток будет направлен по часовой стрелке, если смотреть сверху, со стороны внешнего магнитного поля, как и показано на (рис. (3) ).

Рис. 3. Магнитный поток возрастает

Теперь предположим, что магнитное поле, пронизывающее контур, уменьшается со временем (рис. 4 ). Например, мы удаляем магнит вниз от контура, а северный полюс магнита направлен на контур.

Рис. 4. Магнитный поток убывает

Магнитный поток через контур уменьшается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы его собственный магнитный поток поддерживал внешний магнитный поток, препятствуя его убыванию. Для этого магнитное поле индукционного тока должно быть направлено в ту же сторону , что и внешнее магнитное поле.

В этом случае индукционный ток потечёт против часовой стрелки, если смотреть сверху, со стороны обоих магнитных полей.

Взаимодействие магнита с контуром

Итак, приближение или удаление магнита приводит к появлению в контуре индукционного тока, направление которого определяется правилом Ленца. Но ведь магнитное поле действует на ток! Появится сила Ампера, действующая на контур со стороны поля магнита. Куда будет направлена эта сила?

Если вы хотите хорошо разобраться в правиле Ленца и в определении направления силы Ампера, попробуйте ответить на данный вопрос самостоятельно. Это не очень простое упражнение и отличная задача для С1 на ЕГЭ. Рассмотрите четыре возможных случая.

1. Магнит приближаем к контуру, северный полюс направлен на контур.
2. Магнит удаляем от контура, северный полюс направлен на контур.
3. Магнит приближаем к контуру, южный полюс направлен на контур.
4. Магнит удаляем от контура, южный полюс направлен на контур.

Не забывайте, что поле магнита не однородно: линии поля расходятся от северного полюса и сходятся к южному. Это очень существенно для определения результирующей силы Ампера. Результат получается следующий.

Если приближать магнит, то контур отталкивается от магнита. Если удалять магнит, то контур притягивается к магниту. Таким образом, если контур подвешен на нити, то он всегда будет отклоняться в сторону движения магнита, словно следуя за ним. Расположение полюсов магнита при этом роли не играет .

Уж во всяком случае вы должны запомнить этот факт — вдруг такой вопрос попадётся в части А1

Результат этот можно объяснить и из совершенно общих соображений — при помощи закона сохранения энергии.

Допустим, мы приближаем магнит к контуру. В контуре появляется индукционный ток. Но для создания тока надо совершить работу! Кто её совершает? В конечном счёте — мы, перемещая магнит. Мы совершаем положительную механическую работу, которая преобразуется в положительную работу возникающих в контуре сторонних сил, создающих индукционный ток.

Итак, наша работа по перемещению магнита должна быть положительна . Это значит, что мы, приближая магнит, должны преодолевать силу взаимодействия магнита с контуром, которая, стало быть, является силой отталкивания .

Теперь удаляем магнит. Повторите, пожалуйста, эти рассуждения и убедитесь, что между магнитом и контуром должна возникнуть сила притяжения.

Закон Фарадея + Правило Ленца = Снятие модуля

Выше мы обещали снять модуль в законе Фарадея (5) . Правило Ленца позволяет это сделать. Но сначала нам нужно будет договориться о знаке ЭДС индукции — ведь без модуля, стоящего в правой части (5) , величина ЭДС может получаться как положительной, так и отрицательной.

Прежде всего, фиксируется одно из двух возможных направлений обхода контура. Это направление объявляется положительным . Противоположное направление обхода контура называется, соответственно, отрицательным . Какое именно направление обхода мы берём в качестве положительного, роли не играет — важно лишь сделать этот выбор.

Магнитный поток через контур считается положительным alt=»(\Phi > 0)»> , если магнитное поле, пронизывающее контур, направлено туда, глядя откуда обход контура в положительном направлении совершается против часовой стрелки. Если же с конца вектора магнитной индукции положительное направление обхода видится по часовой стрелке, то магнитный поток считается отрицательным .

ЭДС индукции считается положительной alt=»(\mathcal E_i > 0)»> , если индукционный ток течёт в положительном направлении. В этом случае направление сторонних сил, возникающих в контуре при изменении магнитного потока через него, совпадает с положительным направлением обхода контура.

Наоборот, ЭДС индукции считается отрицательной , если индукционный ток течёт в отрицательном направлении. Сторонние силы в данном случае также будут действовать вдоль отрицательного направления обхода контура.

Итак, пусть контур находится в магнитном поле . Фиксируем направление положительного обхода контура. Предположим, что магнитное поле направлено туда, глядя откуда положительный обход совершается против часовой стрелки. Тогда магнитный поток положителен: alt=»\Phi > 0″> .

Рис. 5. Магнитный поток возрастает

Стало быть, в данном случае имеем . Знак ЭДС индукции оказался противоположен знаку скорости изменения магнитного потока. Проверим это в другой ситуации.

А именно, предположим теперь, что магнитный поток убывает . По правилу Ленца индукционный ток потечёт в положительном направлении. Стало быть, alt=»\mathcal E_i > 0″> (рис. 6 ).

Рис. 6. Магнитный поток возрастает alt=»\Rightarrow \mathcal E_i > 0″>

Таков в действительности общий факт: при нашей договорённости о знаках правило Ленца всегда приводит к тому, что знак ЭДС индукции противоположен знаку скорости изменения магнитного потока :

(6)

Тем самым ликвидирован знак модуля в законе электромагнитной индукции Фарадея.

Вихревое электрическое поле

Рассмотрим неподвижный контур, находящийся в переменном магнитном поле. Каков же механизм возникновения индукционного тока в контуре? А именно, какие силы вызывают движение свободных зарядов, какова природа этих сторонних сил?

Пытаясь ответить на эти вопросы, великий английский физик Максвелл открыл фундаментальное свойство природы: меняющееся во времени магнитное поле порождает поле электрическое . Именно это электрическое поле и действует на свободные заряды, вызывая индукционный ток.

Линии возникающего электрического поля оказываются замкнутыми, в связи с чем оно было названо вихревым электрическим полем . Линии вихревого электрического поля идут вокруг линий магнитного поля и направлены следующим образом.

Пусть магнитное поле увеличивается. Если в нём находится проводящий контур, то индукционный ток потечёт в соответствии с правилом Ленца — по часовой стрелке, если смотреть с конца вектора . Значит, туда же направлена и сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на положительные свободные заряды контура; значит, именно туда направлен вектор напряжённости вихревого электрического поля.

Итак, линии напряжённости вихревого электрического поля направлены в данном случае по часовой стрелке (смотрим с конца вектора , (рис. 7 ).

Рис. 7. Вихревое электрическое поле при увеличении магнитного поля

Наоборот, если магнитное поле убывает, то линии напряжённости вихревого электрического поля направлены против часовой стрелки (рис. 8 ).

Рис. 8. Вихревое электрическое поле при уменьшении магнитного поля

Теперь мы можем глубже понять явление электромагнитной индукции. Суть его состоит именно в том, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Данный эффект не зависит от того, присутствует ли в магнитном поле замкнутый проводящий контур или нет; с помощью контура мы лишь обнаруживаем это явление, наблюдая индукционный ток.

Вихревое электрическое поле по некоторым свойствам отличается от уже известных нам электрических полей: электростатического поля и стационарного поля зарядов, образующих постоянный ток.

1. Линии вихревого поля замкнуты, тогда как линии электростатического и стационарного полей начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
2. Вихревое поле непотенциально: его работа перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю. Иначе вихревое поле не могло бы создавать электрический ток! В то же время, как мы знаем, электростатическое и стационарное поля являются потенциальными.

Итак, ЭДС индукции в неподвижном контуре — это работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура .

Пусть, например, контур является кольцом радиуса и пронизывается однородным переменным магнитным полем. Тогда напряжённость вихревого электрического поля одинакова во всех точках кольца. Работа силы , с которой вихревое поле действует на заряд , равна:

Следовательно, для ЭДС индукции получаем:

ЭДС индукции в движущемся проводнике

Если проводник перемещается в постоянном магнитном поле, то в нём также появляется ЭДС индукции. Однако причиной теперь служит не вихревое электрическое поле (оно не возникает — ведь магнитное поле постоянно), а действие силы Лоренца на свободные заряды проводника.

Рассмотрим ситуацию, которая часто встречается в задачах. В горизонтальной плоскости расположены параллельные рельсы, расстояние между которыми равно . Рельсы находятся в вертикальном однородном магнитном поле . По рельсам движется тонкий проводящий стержень со скоростью ; он всё время остаётся перпендикулярным рельсам (рис. 9 ).

Рис. 9. Движение проводника в магнитном поле

Возьмём внутри стержня положительный свободный заряд . Вследствие движения этого заряда вместе со стержнем со скоростью на заряд будет действовать сила Лоренца:

Направлена эта сила вдоль оси стержня, как показано на рисунке (убедитесь в этом сами — не забывайте правило часовой стрелки или левой руки!).

Сила Лоренца играет в данном случае роль сторонней силы: она приводит в движение свободные заряды стержня. При перемещении заряда от точки к точке наша сторонняя сила совершит работу:

(Длину стержня мы также считаем равной .) Стало быть, ЭДС индукции в стержне окажется равной:

(7)

Таким образом, стержень аналогичен источнику тока с положительной клеммой и отрицательной клеммой . Внутри стержня за счёт действия сторонней силы Лоренца происходит разделение зарядов: положительные заряды двигаются к точке , отрицательные — к точке .

Допустим сначала,что рельсы непроводят ток.Тогда движение зарядов в стержне постепенно прекратится. Ведь по мере накопления положительных зарядов на торце и отрицательных зарядов на торце будет возрастать кулоновская сила, с которой положительный свободный заряд отталкивается от и притягивается к — и в какой-то момент эта кулоновская сила уравновесит силу Лоренца. Между концами стержня установится разность потенциалов, равная ЭДС индукции (7) .

Теперь предположим, что рельсы и перемычка являются проводящими. Тогда в цепи возникнет индукционный ток; он пойдёт в направлении (от «плюса источника» к «минусу» N ). Предположим, что сопротивление стержня равно (это аналог внутреннего сопротивления источника тока), а сопротивление участка равно (сопротивление внешней цепи). Тогда сила индукционного тока найдётся по закону Ома для полной цепи:

Замечательно, что выражение (7) для ЭДС индукции можно получить также с помощью закона Фарадея. Сделаем это.
За время наш стержень проходит путь и занимает положение (рис. 9 ). Площадь контура возрастает на величину площади прямоугольника :

Магнитный поток через контур увеличивается. Приращение магнитного потока равно:

Скорость изменения магнитного потока положительна и равна ЭДС индукции:

Мы получили тот же самый результат, что и в (7) . Направление индукционного тока, заметим, подчиняется правилу Ленца. Действительно, раз ток течёт в направлении , то его магнитное поле направлено противоположно внешнему полю и, стало быть, препятствует возрастанию магнитного потока через контур.

На этом примере мы видим, что в ситуациях, когда проводник движется в магнитном поле, можно действовать двояко: либо с привлечением силы Лоренца как сторонней силы, либо с помощью закона Фарадея. Результаты будут получаться одинаковые.

Консультация для компании по производству проводящих печатных плат — Деятельность

(0 оценок)

Нажмите здесь, чтобы оценить

Quick Look

Уровень: 7 (6-8)

Необходимое время: 45 минут

(три дополнительных расширения, требующих количественных измерений, и две задачи инженерного проектирования добавляют 30 минут, 45 минут и 50 минут соответственно. )

Расходные материалы Стоимость/группа: 5,00 долл. США

Размер группы: 4

Зависимость от деятельности: Нет

предметных областей: Измерение, физика, наука и техника

Ожидаемые характеристики NGSS:

MS-ETS1-4

---

Доля:

TE Информационный бюллетень

Резюме

Студенты участвуют в качестве инженеров-консультантов в фирме «Conductive Circuit Card Company» для разработки и изготовления прототипа поздравительной открытки с использованием проводящих красок. Эта компания изготовила карты светодиодной подсветки, используя медную ленту для своих цепей, но компания определила, что наклеивание ленты занимает слишком много времени. В связи с переходом отрасли на печатные схемы компания приобрела гибкую печатную машину для электроники. Студент реконструирует карту с медной лентой, анализируя, как построить элементы ее схемы. Они проектируют и создают новый элемент схемы, используя трафареты и токопроводящую краску.

Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Студенты-консультанты в этом упражнении испытывают вкус этого производственного процесса, анализируя, как создается электрическая цепь, а затем распечатывают и тестируют свою собственную схему, используя проводящие краски на гибкой подложке (бумаге). Студенты участвуют в процессе инженерного проектирования, следуя набору параметров и изучая, как построить схему и продукт в соответствии с этими параметрами.

Цели обучения

После этого задания учащиеся должны уметь:

• Объясните, как работают различные элементы простой схемы светодиодов.
• Объясните схему.
• Соберите плату светодиодных индикаторов и устраните неполадки.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т.д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемая производительность NGSS
МС-ETS1-4. Разработайте модель для генерации данных для итеративного тестирования и модификации предлагаемого объекта, инструмента или процесса, чтобы можно было достичь оптимального дизайна. (6-8 классы) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Ключевые дисциплинарные идеи	Концепции поперечного сечения
Разработайте модель для генерации данных для проверки идей о разработанных системах, включая те, которые представляют входы и выходы. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Модели всех видов важны для тестирования решений. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! Итеративный процесс тестирования наиболее перспективных решений и модификации того, что предлагается на основе результатов тестирования, приводит к большей доработке и, в конечном итоге, к оптимальному решению. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технологии

• Студенты будут развивать понимание характеристик и области применения технологии. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Студенты будут развивать понимание атрибутов дизайна. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Студенты будут развивать понимание инженерного проектирования. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписывайся

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Список материалов

Каждый учащийся получает отчет о проводящей краске компании Circuit Card.

Каждой группе необходим заранее изготовленный учителем карточный элемент с медной лентой, который использует:

• 3-вольтовая батарея CR2032
• Светодиод со сквозным отверстием 3 мм, доступен онлайн
• два отрезка медной ленты ~5 см
• прозрачная лента
• выбор украшений или печатных рисунков для лицевой стороны карты (подробнее о светодиодах и батареях см. ниже)

Каждой группе необходимо:

• кисти для рисования, губчатые кисти или косметические губки
токопроводящая краска
• или небольшая емкость с медной краской; токопроводящие и медные краски доступны онлайн
• Емкость для воды (для очистки кистей)
• бумажные полотенца
• прозрачная лента
• предварительно вырезанные трафареты из прозрачных пленок, доступны онлайн
• ручки

Чтобы поделиться со всем классом в таблице ресурсов:

• картон: пустой шаблон, предварительно распечатанный с использованием ваших собственных изображений или изображений из шаблона 1 или шаблона 2 в приложениях и предварительно вырезанный; четыре элемента карты из каждого листа стандартной бумаги для принтера
• ножницы
• товары для творчества, такие как маркеры, наклейки, распечатанные изображения, предварительно вырезанные фигуры, клей, блестки, журнальные страницы, строительная или другая цветная бумага
• (опционально) фен для сушки краски
• (дополнительно) мультиметр(ы) для расширения 1 и для старших школьников, дополнительный картон, краска для тестовых карт сопротивления.
• (дополнительно) дополнительная бумага для расширения 2
• (дополнительно) медная лента, дополнительные светодиоды, батарейки и картон для Extension 3, действие с двумя светодиодами

Рабочие листы и вложения

Пустой шаблон (pdf)

Шаблон ошибки (pdf)

Шаблон изображения 1 (pdf)

Шаблон изображения 2 (pdf)

Шаблон трафарета (png)

Презентация гибкой схемы (pptx)

Презентация гибкой схемы

(pdf)

Отчет о консультации (docx)

Отчет о консультации (pdf)

Ответы на отчет о консультации (docx)

Ответы на отчет о консультации (pdf)

Проверка знаний и выход за их пределы (docx)

Проверка знаний и выход за их пределы (pdf)

Проверка ваших знаний и выход за рамки ответов (docx)

Проверка знаний и выход за рамки ответов (pdf)

Посетите [www. teachengineering.org/activities/view/unm-2490-conductive-circuit-card-company-activity] для печати или загрузки.

Больше учебных программ, подобных этому

Урок средней школы

Статистический анализ гибких цепей

Студенты знакомятся с технологией гибких схем, некоторыми приложениями и процессом изготовления фотолитографии. Перед ними стоит задача определить, приводит ли процесс изготовления к изменению размеров схемы, поскольку по мере того, как схемы становятся все меньше и меньше (наносхемы), это может привести к изменению размеров схемы.0003

Статистический анализ гибких схем

Предварительные знания

Выполнение практического задания Paper Circuits Greeting Cards перед этим заданием полезно, но не обязательно.

Введение/Мотивация

Все знают, как выглядит сотовый телефон: он прямоугольный, жесткий и помещается в карман джинсов. Вы когда-нибудь задумывались, почему он такой формы? Почему телефон должен быть в жестком корпусе? Что, если бы вы могли носить свой телефон? Что, если бы вы могли свернуть его и повесить на запястье, как часы, пока вы на уроке физкультуры, а затем развернуть его, чтобы анализировать результаты тренировки с помощью датчиков сердцебиения и пота? Что, если бы вы могли просмотреть его, чтобы увидеть цены и предложения по аксессуарам, когда вы в магазине покупаете одежду?

В будущем электроника, скорее всего, станет гибкой и удобной для ношения в одежде, татуировках на коже и даже внутри вашего тела. От игр и развлечений, спорта и моды до здоровья и медицины вы увидите поразительные изменения в своей жизни. Сегодня мы собираемся заглянуть в будущее и некоторых творческих исследователей, которые приближают его. Компании-производители электроники уже знают, что дополненная реальность, виртуальная реальность, искусственный интеллект и всевозможные появляющиеся технологии потребуют больших экранов, а это значит, что они создают схемы и дисплеи, которые можно складывать, растягивать и поддавать деформации.

Инженеры сочетают вековые методы печати (такие как глубокая печать, используемая для репродукций изобразительного искусства, журналов и подарочной упаковки) с электронными и другими специальными чернилами, чтобы они могли печатать многие компоненты, которые используются в сотовых телефонах и других устройствах. В этих продуктах используются гибкие пластиковые материалы в так называемом «рулонном производстве», аналогичном тому, что используется при изготовлении пластиковой упаковки.

В этом упражнении вы будете печатать аналогичными токопроводящими красками с использованием трафаретов. Гибким материалом будет бумага, и вы будете делать схему, которая зажигает светодиод. Мы будем использовать процесс инженерного проектирования, чтобы помочь нам направлять наши проекты. Давайте начнем!

Процедура

Фон

Краска

Существует множество образовательных ресурсов для изготовления бумажных схем с использованием медной ленты в упражнении «Поздравительные открытки с бумажными схемами». В общем, токопроводящие краски и чернила можно использовать так же, как и медную ленту, но они, как правило, дороже и немного сложнее в использовании. Токопроводящие краски, изготовленные из углерода, не обладают такой проводимостью, как медь, поэтому цепи должны быть короче. Однако печать токопроводящими красками напоминает способ изготовления схем в реальных исследовательских и промышленных процессах. Этот тип проектного мышления дает студентам возможность экспериментировать с удельным сопротивлением листа в зависимости от ширины и длины линии и думать об углероде как о проводящей среде, что может удивить многих студентов. Веб-сайт краски BareConductive (https://www. bareconductive.com) предлагает замечательные примеры того, как художники используют эту краску для создания инновационных мультимедийных произведений искусства.

Разбавление краски BareConductive водой облегчает ее нанесение. Он также будет сохнуть быстрее и стоит меньше на одного учащегося. Однако он будет менее токопроводящим. Вы также можете найти менее дорогие способы изготовления собственных токопроводящих красок в Интернете.

Трафареты

Так как краски сохнут около 15 минут, а краска размазывается, если снять трафарет до того, как краска высохнет, у каждого ученика должен быть свой набор из двух трафаретов.

Если у вас есть доступ к штампу или станку для лазерной резки, вы можете легко вырезать трафареты для многих учеников. Если у вас нет доступа к такому станку и у вас всего несколько учеников, вы можете попробовать вырезать несколько трафаретов перочинным ножом. (См. рис. 1)

Рисунок 1. Каждый учащийся получит два трафарета, вырезанных из прозрачных материалов. Они будут прикреплены к внутренней стороне карты чуть ниже отверстия для светодиода и отметки ручкой. Эти трафареты были вырезаны с помощью высекальной машины.

авторское право

Авторские права © Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC), 2020 г. Рисунок 2.

Рисунок 2. Если высекальная машина недоступна, учащиеся могут сделать трафареты, используя малярную ленту, наклеенную непосредственно на открытку. Им не нужно копировать круглую батарейную площадку. Квадратное пространство подойдет, если оно обеспечивает максимально возможный контакт краски с батареей.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

Дизайн карты

Элемент карты, поставляемый компанией-производителем карты, представляет собой лицевую часть карты. В самом простом упражнении это все, что учащиеся должны создать с помощью проводящей краски. В дополнении 2 учащимся предлагается сделать полную карточку, которую потребители могут открыть и написать внутри сообщение. Это означает, что учащиеся должны будут подумать о том, как они будут складывать карточки. Шаблон «Z» — простое решение. Сделайте несколько примеров в качестве подсказок и поместите их в таблицу ресурсов. В расширении 3 учащиеся должны разработать карту с двумя светодиодами. В интересах времени они могут прототипировать эти карты, используя медную ленту.

Художественное произведение

Вы можете использовать предоставленную нами иллюстрацию (см. Шаблон 1, Шаблон 2 и Шаблон ошибки) или придумать свой собственный, исходя из интересов ваших учащихся, используя Пустой шаблон. В качестве альтернативы попросите учащихся сделать свои собственные рисунки (примеры показаны на рис. 4). Важно проделать отверстие для светодиода (ручкой) в картоне и отметить положение светодиода на внутренней странице, чтобы концы трафаретов можно было выстроить очень близко к этой точке. (См. рисунки 1 и 3). В некоторых случаях учащиеся могут выбрать место на своей карте для светодиода, который требует, чтобы батарея находилась в верхней части карты в конце.

Рисунок 3. На схеме слева показано отверстие, в котором будет находиться светодиод. На внутренней стороне (правая диаграмма) показано отверстие с обратной стороны, отметка ручкой на противоположной стороне и место, где будут располагаться внутренние части трафаретов. Обратите внимание, что самый верхний край вырезанной части трафарета проходит прямо под отверстием и пометками ручкой.

Перед занятием

• Изготовьте элементы карты из медной ленты в количестве, достаточном как минимум для половины учащихся вашего класса.

Рисунок 4. Выборка элементов карты, сделанная автором. В светодиодных цепях внутри используется медная лента. Когда картон сжимается, загораются светодиоды.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Сложите лист картона пополам.
• Решите, где будет располагаться светодиод, и проделайте для него отверстие шариковой ручкой в ​​передней панели.
• Закройте карту. С внешней стороны сделайте отметку ручкой через отверстие на дальней стороне карты. (показано на рис. 5)

Рис. 5. Внутренняя сторона элемента карты после того, как в крышке было проделано отверстие, и внутренняя правая сторона была отмечена через отверстие ручкой.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Отрежьте два куска медной ленты длиной около 5 см (от 2 до 2,5 дюймов) и аккуратно поместите их ниже отверстия и отметки ручкой внутри карты, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Следующим шагом является размещение медной ленты вертикально под отверстием и ручкой на внутренней стороне элемента карты.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Поместите 3-вольтовую аккумуляторную батарею положительной (+) стороной вниз на медную ленту на правой стороне платы и закрепите ее прозрачной лентой. Старайтесь оставлять открытой как можно большую часть батареи. (показан на рис. 7)

Рис. 7. Положительная сторона батареи приклеена с правой стороны клейкой лентой. Оставьте как можно большую часть батареи открытой.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Закрыть карту.
• Держите светодиод горизонтально так, чтобы длинный провод находился сверху. Полностью вставьте светодиод в отверстие, как показано на рис. 8. Откройте плату.
• Согните короткий светодиодный провод вдоль медной ленты и закрепите прозрачной лентой. Прозрачная лента должна покрывать всю длину светодиодного провода, но не заходить намного дальше. (См. рис. 9)

Рис. 8. Вставьте светодиод снаружи через отверстие. Выровняйте светодиодные провода таким образом, чтобы более короткий светодиодный провод был ближе к ленте на внутренней левой крышке. Это будет прикреплено к медной ленте на следующем шаге.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

Рисунок 9. Полностью приклейте короткий провод светодиода к медной ленте с левой стороны (внутри крышки).

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Отрежьте кусок прозрачной ленты, длина которого примерно равна длине провода светодиода . Поместите его поверх короткого светодиодного провода , липкой стороной вверх . Затем согните длинный провод поверх него. (показано на рис. 10)

Рис. 10. Фрагмент (слева) фотографии справа показывает длинный провод, сидящий на куске ленты липкой стороной вверх поверх провода с левой стороны непосредственно перед закрытием элемента карты.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Аккуратно закройте плату, убедившись, что длинный провод надежно приклеен к медной ленте на правой стороне платы.
• Проверьте карту, нажав на внешнюю часть над аккумулятором, как показано на рис. 11.

Рис. 11. При закрытии и нажатии вниз карта загорается!

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

Устранение неполадок:

• Для расширения 1 сделайте полную карточку, которую можно открыть, чтобы написать внутри сообщение. Для этого либо а) сложите лист картона в форме буквы «Z» и используйте две передние панели для создания схемы элементов карты с помощью трафаретов и краски (рис. 12а), либо б) согните лист картона пополам и склейте. карточный элемент на переднюю обложку (рис. 12б).

Рис. 12. Два примера карточек, внутри которых есть место для сообщения для расширения 1. Карточка на рис. 12а была сложена втрое в форме буквы «Z» (см. фото, вид сверху), а светодиодная цепь была создана между первые две панели. Карточка на рисунке 12b была создана путем складывания желтой бумаги пополам. Элемент карты, аналогичный тому, который был сделан в основном упражнении, был обрезан и приклеен к передней части желтой карточки. Была добавлена ​​серебристо-желтая «кнопка», показывающая пользователю, куда нажать, чтобы включить светодиод.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

• Подготовьте трафареты, если у вас есть доступ к режущему станку или вы вырезаете вручную. Вырежьте достаточно трафаретов из прозрачного материала, чтобы у каждого ученика было по два трафарета, а затем вырежьте несколько дополнительных. Распылите клей на трафареты и приклейте их на листы ацетата или прозрачные листы, чтобы у вас был набор трафаретов для каждой группы. Трафареты можно использовать несколько раз без повторного нанесения клея. (См. шаблон трафарета ниже.)
• Подготовить художественные принадлежности. Предварительно распечатайте и/или нарежьте любые изображения, которые вы хотели бы предложить своим ученикам. Соберите другие материалы для рисования, чтобы ученики могли создавать свои собственные изображения, такие как наклейки, ручки, карандаши, блестки, клей, предварительно вырезанные изображения, папиросную бумагу, ножницы и журналы для коллажей.
• Подготовьте коробку с материалами для каждой группы учащихся, как указано в разделе материалов. Подготовьте материалы таблицы ресурсов.

Со студентами

1. Предложите учащимся сесть в группы и попросите каждого из них выбрать партнера. Сообщите им, : «Компания Conductive Circuit Card выбрала вашу инженерно-консалтинговую компанию для разработки нового типа карт. До сих пор они делали светодиодные поздравительные открытки с использованием медной ленты. (Покажите пример карточного элемента и медной ленты). Однако они обнаружили, что нанесение медной ленты требует слишком много времени и денег. Более того, электронная промышленность стремительно переходит на печать схем на гибких материалах. Итак, они приобрели печатную машину с проводящей краской и хотят, чтобы вы представили новый прототип проводящей краски и отчет».
2. Объясните учащимся, что вместе с напарником они сначала аккуратно реконструируют существующий элемент карты и ответят на вопросы в отчете о консультации. Затем учащиеся индивидуально разработают и соберут свой собственный прототип поздравительной открытки, используя материалы на вашем столе и на столе ресурсов.
3. Раздайте каждому ученику светодиод и батарейку.
4. Попросите класс сначала посмотреть, смогут ли они зажечь светодиод с помощью своей батареи. Не говорите им, как зажечь светодиод, но знайте, что батарея зажата между двумя проводами светодиода, и более длинный провод светодиода лежит вдоль положительной стороны батареи, а короткий провод лежит вдоль отрицательной стороны батареи. . Будем надеяться, что найдется студент, который вставит батарею между двумя светодиодными проводами, но поменяет ориентацию так, что светодиод не загорится.
5. Подойдите к этому ученику и скажите классу : «Этот ученик сделал очень важное открытие. Иногда в науке и технике обнаружить, что что-то не работает, так же важно, как найти то, что работает. Этот студент обнаружил, что светодиод не позволяет электричеству течь в одном направлении, чтобы зажечь свет». Скажите своему ученику, чтобы он повернул батарею на 180 градусов, тогда диод позволит течь электричеству. “ Это потому, что светодиод является диодом. Диоды являются фундаментальным устройством в электронике во всем мире. А что излучает этот диод? Что из этого получается? Легкий! Вот почему он называется светоизлучающим диодом».
6. Спросите учащихся, имеют ли провода, выходящие из их светодиодов, одинаковую длину. (один длиннее). Какой провод должен касаться положительного полюса батареи, чтобы протекал электрический ток? (Более длинная сторона должна касаться положительной стороны батареи).
7. Задайте учащимся следующие вопросы: Что заставляет светиться светодиод? (Ответ: электрическая энергия или электричество. ) Откуда это взялось? (Ответ: батарея. Батарея хранит энергию в химической форме. Затем она преобразует эту химическую энергию в электрическую.)
8. Попросите учащихся положить светодиод и батарею на парту в безопасное место. Они будут использовать их позже.
9. Предложите учащимся подготовить свой отчет о консультации и раздать каждой группе по 1 заранее изготовленной медной карточке.
10. В зависимости от уровня вашего класса учащиеся могут либо пройти все этапы самостоятельно, либо с помощью следующих шагов:

1. Попросите их нажать на карту, чтобы увидеть, как она включается, и спросить, что мешает карте быть включенной все время. В электронике устройство, препятствующее протеканию тока и включению света, называется 9.0272 переключатель . Спросите учащихся, что означает переключатель на этой карточке? (Ответ: Это очень простая вещь. Жесткость картона не позволяет медному элементу на одной стороне карты соприкасаться с другой стороной карты и замыкать цепь до тех пор, пока вы не нажмете на карту. ) В технике и науке такие простые решения часто высоко ценятся. Простая светодиодная указка или цепочка для ключей могут использовать жесткость самого светодиодного провода в качестве переключателя, который нажимается вверх и вниз. Еще одним важным моментом является то, что инженеры и ученые вкладывают много времени и энергии в Материаловедение , изучение того, как материалы ведут себя механически, электрически и оптически. Даже такие простые материалы, как бумага, играют огромную роль в технике.
2. Предложите учащимся аккуратно открыть элемент карты, сняв ленту, удерживающую светодиод на правой стороне карты. Вы можете задать открытый вопрос, например: Что вы заметили в том, как составлена ​​карта, и записать свои наблюдения, нарисовав диаграммы на доске. Идеи, которые вы хотите, чтобы они заметили:
1. Положительная сторона батареи находится лицевой стороной вниз на правой стороне карты.
2. Длинный светодиодный провод был приклеен к медной ленте, ведущей к положительному полюсу батареи на правой стороне карты.
3. Лента, удерживающая батарею, закрывает не всю лицевую сторону батареи, а только очень маленькую часть. Это позволяет большей части батареи быть доступной для прикосновения к меди.
4. Короткий светодиодный провод приклеен к медной ленте с левой стороны. Когда карта закрывается, открытая медь на левой стороне карты касается отрицательной стороны батареи.
5. Переключатель — это отверстие между левой и правой сторонами карты в нижней части рядом с аккумулятором.
6. Провода светодиода полностью обмотаны изолентой (чтобы они не касались друг друга при закрытии карты и коротком замыкании), но остальная медь не обклеена.
7. Медные ленты с каждой стороны выстраиваются вместе, особенно лента слева должна касаться батареи, когда карта закрывается, иначе цепь не будет работать.
8. На правой стороне есть пометка ручкой, которая находится точно напротив отверстия для светодиода на левой стороне. Это выравнивает медную ленту, где светодиод будет крепиться с правой стороны. Сначала сделайте отверстие для светодиода ручкой, затем закройте карту и используйте ручку, чтобы отметить на противоположной стороне. В полиграфии инженеры используют такие метки для выравнивания. Их зовут регистрационные знаки .
11. Попросите учащегося подойти к доске и нарисовать схему карты, нарисовав компоненты любым способом. Попросите ученика связать свой рисунок с физическими частями реальной карты. Затем нарисуйте символы светодиода, батареи и переключателя на плате (показано на рисунке 13). Попросите другого учащегося нарисовать цепь, используя электрические символы, и связать их с физическими частями карточки. (См. рис. 14 и 15)

Рис. 13. Это электронные символы батареи, светодиода и переключателя.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

Как схема связана с физическими частями карты.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

12. Наконец, покажите учащимся трафареты, с которыми им предстоит работать. Спросите их, почему они думают, что на одном конце есть лампочка? (Ответ: контактная площадка батареи максимально увеличивает количество контактов батареи с проводящей краской, которая не будет такой проводящей, как медная лента). Куда, по их мнению, должна располагаться лампочка трафарета — рядом с отверстием для светодиода или подальше от него? (Ответ: подальше от него). Пусть ученик нарисует, как, по его мнению, он будет размещать трафареты. Очень важно, чтобы при нанесении трафаретов трафареты лежали ровно и гладко, четко были приклеены, чтобы краска не протекала, и чтобы ученики оставляли трафарет до полного высыхания краски, что должно занять около 24 часов. .
13. Теперь пришло время ученикам сделать свои карточки. Они могут сделать свои собственные работы на пустой карточке или использовать предварительно распечатанную карточку. На рис. 16 показано несколько примеров пустых карточек, изготовленных из предварительно вырезанных фигур, но учащиеся могут использовать множество других материалов для создания собственных рисунков.

Рис. 16. Дополнительные примеры рисунков с проводящей краской/светодиодами, в некоторых из них используется папиросная бумага, приклеенная к отверстиям, прорезанным в картоне. Формы можно предварительно вырезать с помощью канцелярского ножа. Студенты также могут рисовать, делать коллажи или использовать наклейки для создания произведений искусства.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

14. Учащиеся могут смотреть на художественные принадлежности на столе, чтобы составить план, но они не смогут украсить свои карточки, пока краска не высохнет.
15. Когда они вернутся за свои столы, напомните им о некоторых из их предыдущих наблюдений, пока они проходят этапы создания карты.
16. Попросите их определить местонахождение светодиода, взглянув на внутреннюю часть карты. Ручки предназначены для проделывания отверстий для светодиодов в крышке и регистрационной метки на внутренней правой крышке.
17. Напомните учащимся, что лента идет прямо до верхней части светодиода, поэтому внутри трафарета должны располагаться прямо под отверстием для светодиода и отметкой ручкой. Также напомните им, что лампочка выходит из отверстия светодиода и ручкой.
18. Учащиеся должны убедиться, что трафареты ровные, нигде не коробятся и плотно прилегают к картону, чтобы краска не просочилась под них.
19. Затем учащиеся должны нанести тонкий слой краски на трафарет и оставьте трафарет на , пока краска не высохнет. Это может занять около 15 минут в зависимости от толщины и типа краски. (медная краска сохнет быстрее). Фен ускорит этот процесс.
20. Если учащиеся не используют предварительно вырезанные трафареты, они сначала наклеивают на карту малярную ленту, ориентируясь по линиям трафарета (рис. 2). Им не нужно повторять круглую форму аккумуляторной площадки — вполне подойдет и квадратная площадка.
21. Пока краска сохнет, покажите презентацию «Гибкая схема» о том, как изготавливаются и используются печатные электрические схемы в промышленности и художниками. Вы можете показать столько презентации, сколько у вас есть время. В зависимости от того, как долго вы задерживаетесь на каждом слайде, презентация занимает около 10–15 минут.
22. (необязательно) В разделе «Дополнительная мультимедийная поддержка» ниже приведены видеоролики, которые вы можете показать своим ученикам, чтобы заглянуть в будущее и взглянуть на то, что уже происходит в настоящем.
23. После того, как краска высохнет, попросите учеников осторожно вытащить трафареты.
24. Сборка карт аналогична описанной выше при изготовлении элементов карты из медной ленты:
• Закрепите батарею на правой и боковой площадках с помощью положительный боковой нижний . Убедитесь, что накрыли только небольшую часть батареи, оставив большую ее часть открытой.
• Удерживая светодиод в горизонтальном направлении длинным проводом вверху, протяните провода светодиода через отверстие снаружи, оставив светодиодную лампу снаружи.
• Затем согните короткий провод вертикально вниз с левой стороны. Приклейте его скотчем, убедившись, что он покрывает весь светодиодный провод, когда вы приклеиваете его к дорожке краски, но оставьте как можно большую часть остальной дорожки краски открытой.
• Возьмите кусок ленты длиной с длинный светодиодный провод и положите его липкой стороной вверх поверх короткого светодиодного провода.
• Согните к нему длинный светодиодный провод по центру посередине.
• Аккуратно закройте карту.
• Проверьте карту. (См. раздел «Устранение неполадок» ниже.)
25. В оставшееся время учащиеся могут украсить свои карточки или взять домашние принадлежности, чтобы закончить работу.

Словарь/Определения

проводимость: мера способности материала проводить электрический ток.

ток (I): поток электрического заряда через среду; или количество электронов, которые текут в единицу времени. Измеряется в амперах (А) или амперах.

диод: электронный компонент с двумя выводами, проводящий ток в основном в одном направлении; он имеет низкое сопротивление в одном направлении и высокое сопротивление в другом.

электрическая цепь: Замкнутая петля, по которой ток электронов или заряженных частиц проходит через проводящее вещество.

LED: Аббревиатура от Light Emitting Diode, полупроводниковый источник света, который излучает свет, когда через него проходит ток.

метрология: наука об измерениях.

Закон Ома: утверждает, что сила тока в проводнике между двумя точками прямо пропорциональна напряжению в этих двух точках.

параллельная цепь: Замкнутая цепь, в которой ток разделяется на два или более пути перед рекомбинацией для замыкания цепи.

прототип: рабочая модель, используемая для проверки концепции дизайна.

сопротивление (R)`: Противодействие протеканию электрического тока.

последовательная цепь: Замкнутая цепь, в которой ток идет по одному пути.

субстрат: основной слой, на котором напечатана схема.

напряжение (В): разница электрических потенциалов между двумя точками.

Оценка

Встроенная оценка деятельности

Отчет о консультации: Учащиеся могут просмотреть отчет о консультации самостоятельно, заполнив его по ходу урока, или вы можете назначить его для домашнего задания после занятия, чтобы проверить их понимание.

Помолвка: Наблюдайте за учащимися во время выполнения задания, чтобы убедиться, что каждый из них продвигается вперед и не застревает ни на одном этапе процесса.

Послеоперационная оценка

Проверка знаний и расширение возможностей:  Домашнее задание «Проверка знаний и расширение возможностей» предназначено для проверки базовых знаний о целях обучения и для того, чтобы учащиеся более глубоко обдумывали свой проект.

Вопросы безопасности

• Учащиеся должны соблюдать меры предосторожности при использовании токопроводящей краски.

Советы по устранению неполадок

Если светодиод не горит, проверьте следующее:

• Оба провода надежно закреплены изолентой на своих следах от краски, и лента полностью покрывает их (чтобы два провода не касались друг друга и не замыкали).
• Лента не покрывает всю поверхность аккумулятора.
• Аккумулятор новый.
• Батарейные площадки на каждой странице выровнены таким образом, что батарея и окрашенная батарейная площадка соприкасаются, когда карта закрыта.
• Длинный светодиодный провод приклеен к дорожке краски на внутренней правой странице , а положительная сторона батареи обращена вниз.

Расширения деятельности

Обратите внимание, что отчет о консультациях содержит инструкции для этих расширений.

Extension 1. Используя мультиметры, учащиеся измеряют сопротивление «проводов» угольной краски и медной ленты. Затем они вычисляют ток по закону Ома (V=IR), где V — напряжение 3-вольтовой батареи, и сравнивают токи двух карт. Токи являются показателем яркости светодиодов. Учащиеся обнаружат, что угольная краска обладает большей стойкостью и, следовательно, меньшей яркостью. Они также обнаружат, что их показания мультиметра прыгают при измерении краски — их попросят предположить причину этого (неравномерность краски).

Учащиеся старшего возраста могут изучить размерную зависимость угольной краски. Вы можете сделать карты разных линий карбоновой краски по аналогии с заметками на сайте BareConductive: https://cdn.shopify.com/s/files/1/0520/3669/8292/files/ep_application_notes.pdf?v=1655713221, которые сравнивают линии одинаковой длины и разной ширины, и наоборот. Цель состоит в том, чтобы учащиеся открыли, что сопротивление увеличивается с увеличением длины следа от краски (электроны должны двигаться дольше; в аналогии с потоком вода сталкивается с большим количеством камней) и уменьшается с увеличением ширины линии (электроны имеют большую площадь, через которую они проходят). ).

Расширение 2. Вместо элемента карточки вы можете попросить учащихся разработать новую карточку, которая интегрирует новый элемент цепи токопроводящей краски в полноразмерную карточку, которую можно открыть, чтобы покупатель мог написать сообщение внутри карточки. . Продемонстрируйте с карточкой, которую вы сделали ранее, или с листом бумаги, чтобы передать общую идею, но не делитесь деталями дизайна слишком близко. На рисунках 12a и 12b показаны две идеи дизайна.

Расширение 3. После того, как учащиеся закончат карточку с одним светодиодом, попросите их спроектировать карточку с двумя или даже тремя светодиодами, используя только одну батарею. Они могут использовать медную ленту для прототипирования вместо краски в интересах времени. Хотя это расширение выходит за рамки этого занятия, оно прекрасно подходит для обсуждения параллельных и последовательных цепей. Вы можете позволить им поэкспериментировать самостоятельно или использовать или сделать что-то похожее на рис. 17, чтобы учащиеся сначала исследовали параллельные и последовательные схемы, чтобы увидеть, какая из них дает более яркий свет.

Рисунок 17. Пример простого способа для учащихся проверить, будет ли параллельная или последовательная цепь зажигать светодиоды от одной 3-вольтовой батареи. Параллельная конфигурация работает лучше всего, и ее геометрия может подсказать наблюдательному студенту схему платы.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

Масштабирование активности

В младших классах и в ситуациях, когда вы не можете использовать краски, учащиеся могут сделать светодиодную иллюстрацию из монтажной пены, светодиодов, аккумуляторов, клейкой ленты и художественных принадлежностей. Добавьте пряжу и дырокол, чтобы сделать ожерелья.

Для младших школьников используйте светодиоды диаметром 5 мм, которые проталкиваются через пенопласт, непосредственно охватывают батарею и закрепляются куском клейкой ленты (ленту легче оторвать, чем разрезать). Студенты должны тщательно планировать, если они используют более 1 светодиода, чтобы убедиться, что оба достигают батареи из-за ограничения студентов на одну батарею. В качестве инженерной задачи скажите учащимся, что светодиоды будут работать вечно, а батареи — нет, поэтому они должны изобрести выключатель. (См. рис. 18)

Рис. 18. Художественное произведение из пенопласта со светодиодами, сделанное учащимися начальной школы. Светодиоды проталкиваются через пенопласт, крепятся сзади к 3-вольтовой батарее и закрепляются клейкой лентой.

Copyright

Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)

Дополнительная мультимедийная поддержка

• Видение смарт-экранов будущего в представлении Corning Glass: https://www.youtube.com/watch?v=-NsCyjQWgog
• День стекла 2 (5:58): https://www.youtube.com/watch?v=jZkHpNnXLB0 (это больше ориентировано на детей)
• Стеклянный день 1 (5:32): https://www. youtube.com/watch?v=6Cf7IL_eZ38
• Рекламный ролик Gatorade с татуировкой датчика пота Джона Роджера: https://www.youtube.com/watch?v=XfdX1OrwmIU (совместно с С. Уильямсом, Дж. Татумом, К. Пулишиком, Л. Сандерсом)
• Рекламный ролик Olay с тату-датчиком пота Джона Роджера для измерения pH: https://www.youtube.com/watch?v=f_018IMHSKo

Другая связанная информация

В Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института впервые была проделана большая работа по созданию бумажных схем с использованием медной ленты с проводящим клеем, батарей и светодиодов. (http://highlowtech.org/?p=2505 и https://vimeo.com/40

1). Также см. Exploratorium (https://www.exploratorium.edu/tinkering/projects/paper-circuits и https://www.exploratorium.edu/tinkering/blog/2018/03/27/paper-circuit-cards-video). ) для различных видов светодиодов.

Авторские права

© 2020 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2018 Университет Нью-Мексико

Авторы

Стефи Вайсбур, менеджер по дошкольному образованию и работе с общественностью, Школа инженерии, Университет Нью-Мексико

Программа поддержки

NASCENT (Непроизводственные системы для мобильных вычислений и мобильных энергетических технологий) Инженерно-исследовательский центр

Благодарности

Эта работа основана на работе, поддержанной Национальным научным фондом в соответствии с Соглашением о сотрудничестве № EEC-1160494. Любые мнения, выводы и выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.

Автор хотел бы поблагодарить преподавателей Explora за то, что они попробовали это занятие, и доктора Лию Бючли, которая сейчас работает в Университете Нью-Мексико, за ее любезный совет.

Последнее изменение: 11 августа 2022 г.

Нарисуйте схемы проводящими чернилами

Схемы и проводящие материалы

Электрика и электроника являются сложными предметами для понимания и применения для большинства людей. Причина, по которой даже при самостоятельном строительстве дома всегда рекомендуется квалифицированный электрик. Большинство из нас не знает, как включается свет, мы просто знаем, как нажать на выключатель. Мне нравятся хорошие уравнения и науки, но электрика и электроника — это другой мир. Я могу визуализировать неорганические трехмерные гетерометаллические кластеры или силы Ван-дер-Вааль в любой день. Однако электроника меня каждый раз смущает. Благодаря таким продуктам, как Arduino, Raspberry Pi и Makey Makey, программирование доступно школьникам. Может быть, пришло время нам всем освежить в памяти схемы, прежде чем думать о кодировании. Наилучший практический способ сделать это — использовать проводящие чернила, простую визуализацию цепей без всех проводов.

Что такое электрическая цепь?

Электрическая цепь — это путь для передачи электрического тока. Чтобы создать электрическую цепь, нам нужен источник энергии для зарядки частиц, создающих ток, например, генератор или батарея. Для этого требуются соединительные провода или линии передачи. Наконец, вам нужно устройство для потребления производимого тока, такое как лампа, вентилятор или ноутбук.

 

Что такое проводники?

Соединительные провода или линии передачи, позволяющие потоку заряда (электричества) проходить по ним в одном или нескольких направлениях.

 Какие материалы являются проводящими?

Проводящие материалы позволяют электрическому току свободно течь благодаря наличию в них свободных электронов. Эти материалы включают металлы, электролиты, полимеры, плазму и сверхпроводники. Серебро, медь, золото и алюминий являются наиболее проводящими металлами. Однако морская вода, графит (карандаши) и человеческое тело являются примерами неметаллических проводников.

Давайте рассмотрим 3 компании, которые сделали электротехнику и электронику доступной для всех с помощью токопроводящих чернил.

Компания Elephantech, ранее называвшаяся AgIC, представляет собой японский стартап, занимающийся разработкой новых технологий для электронных схем. AgIC начиналась как дочерняя компания Токийского университета. В настоящее время они специализируются на печати гибких печатных плат P-Flex™ с использованием серебряных наноструйных принтеров. Интернет-магазин был закрыт в июне 2017 года. Однако на Amazon есть ассортимент AgIC, который состоит из серебряной ручки (содержащей проводящие наночастицы серебра), ручки-ластика и специальной глянцевой бумаги. Все, что вам нужно сделать, это нарисовать схему серебряной ручкой, добавить несколько светодиодов и батарейку. Ластик помогал с исправлениями и изменениями. Видео ниже, снятое Канденко (строительная компания), демонстрирует миниатюрный трехмерный бумажный город AgIC.

Circuit Scribe

Circuit Scribe использует нетоксичную ручку с токопроводящими чернилами для обучения основам схем и электроники. Первое поколение наборов Circuit Scribe обучало основным принципам схемотехники. Более новые наборы основаны на этих базовых знаниях для работы с приложениями концепций схем, позволяя пользователю конструировать бумажные схемы, создавать беспилотный летательный аппарат, конденсаторный сенсорный калькулятор и музыкальные инструменты. Circuit Scribe показывает пошаговые руководства по проектам DIY с использованием Arduino и Makey Makey.

Bare Conductive

Bare Conductive обеспечивает электрическую краску, которую можно наносить кистью. Эта нетоксичная водорастворимая краска высыхает на воздухе при комнатной температуре. Краска содержит водную дисперсию углеродного пигмента и натуральной смолы. Таким образом, включение печатных электронных технологий. Более 200 видеороликов с учебными пособиями и подробными руководствами по проекту. Вы можете научиться взаимодействовать с сенсорными панелями, Makey Makey, Pi Cap, Raspberry Pi и печатными датчиками.

В заключение, мы никогда не будем слишком стары, чтобы узнать что-то новое или понять хитрую концепцию.

5 вопросов для размышления

1. Вам трудно понять электрические и электронные концепции?
2. Какие проводящие материалы вы предпочитаете?
3. Какие чернила для проводящих цепей вы бы хотели попробовать?
4. Какие наборы для рукоделия вас интересуют?
5.  В каких еще проектах вы бы использовали эти приложения для улучшения или упрощения?

Feature Image:

Experimentaion. Изображение: Николя Томас | Unsplash

Share:

Поделиться на Facebook

Поделиться в Twitter

Поделиться на Pinterest

Share на LinkedIn

Share:

4848

Share:

4848

Share:

84893

Share:

84848

Share.

Поделиться на Pinterest

Поделиться на linkedin

Интересные страницы

Вам также может понравиться

Как дроны используются для оказания экстренной медицинской помощи и помощи при стихийных бедствиях? Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или электрические автономные летательные аппараты (EAA) широко известны как дроны.

Частицы пластика размером 5 мм или менее считаются микропластиком. Микропластик часто встречается в скрабах для лица и гелях для душа в виде микрогранул. Авария

В Нидерландах сообщества микросетей внедряют новый подход к производству и распределению энергии. Это означало бы, что районы ближайшего будущего могут производить

Давайте на несколько минут оценим силу мыла. За последние несколько недель министерства здравоохранения всего мира завалили нас

Coradia iLint — первый пассажирский поезд, работающий на водородном топливном элементе. Поезд был разработан командой Alstom в Зальцгиттере, Германия,

путем объединения исследований поведения акул, зрения акул, неврологии акул и стратегий защиты морской жизни. Свежий подход к растущему пониманию того, как

Три экологически безопасных и устойчивых метода производства красок. От переработки старых латексных красок до производства красок с использованием ветряных мельниц и льняного семени. Наконец,

Снижение загрязнения воздуха во время COVID-19 показывает нам, что качество воздуха является первым экологическим фактором, который мы можем решить. Воздействие на промышленность и здоровье См.

Вам также может понравиться

Solektra предлагает различные эффективные решения для сельских общин по всей Африке.

Может ли загрязнение воздуха быть индикатором, помогающим предприятиям и

Объединив исследования поведения акул, зрения акул,

Leaf Republic создала набор упаковочных продуктов. Они

Использование растений и деревьев для балансировки городской среды

Устойчивое управление отходами Амагер Бакке, также известная как CopenHill, представляет

Проводящая серебряная эпоксидная смола CircuitWorks® | Chemtronics Bonding

Проводящая серебряная эпоксидная смола CircuitWorks® | Хемтроника Склеивание | Хемтроника

8

• Особенности и преимущества
• Дополнительная информация
• Запросить образец

Запросить образец

Запросить образец

CircuitWorks Conductive Epoxy

*=обязательное поле

TDS

• CW2400_English TDS 9006
• CW2400_Испанский TDS
• CW2460_English TDS
• CW2460_Испанский TDS

REGS

• Политика в отношении конфликтных минералов
• Заявление ЕС о СОЗ
• Заявление TSCA PBT
• Заявление REACH ЕС
• Заявление RoHS2/3 ЕС

Паспорт безопасности

• CW2400_Part A_US Паспорт безопасности
• CW2400_CA — паспорт безопасности на английском языке
• CW2400_CA — французский паспорт безопасности
• CW2400_Part B_MX SDS
• CW2400_Part A_MX Паспорт безопасности данных
• CW2400_Part B_US SDS
• CW2460_CA — паспорт безопасности на английском языке
• CW2460_CA — французский паспорт безопасности
• CW2460_Part B_MX Паспорт безопасности данных
• CW2460_Part A_MX Паспорт безопасности данных
• CW2460_Part B_US SDS
• CW2460_Part A_US SDS

CircuitWorks ^® Проводящая эпоксидная смола представляет собой двухкомпонентную серебряную эпоксидную смолу, используемую в прототипах, ремонте и общих проводящих соединениях. Он отличается прочными механическими связями, отличной электропроводностью и быстрым отверждением при комнатной температуре. CircuitWorks ^® Проводящая эпоксидная смола обеспечивает агрессивное сцепление с широким спектром материалов.

Электропроводящая 60-минутная эпоксидная смола CircuitWorks имеет увеличенный срок годности для высокопрочных проводящих соединений. Компоненты можно легко установить и заменить до полного отверждения. Для ускоренного отверждения просто нагрейте материал до 212°F (100°C). Эта проводящая эпоксидная смола агрессивно сцепляется с широким спектром материалов.

Особенности и преимущества

• Проводящая серебряная эпоксидная смола обеспечивает превосходную электропроводность
• Высокопрочное проводящее соединение
• Смешанный материал обеспечивает пятиминутное время работы, быстрое отверждение
• Восстанавливает поврежденные дорожки и создает перемычки на платах
• Быстрые электронные соединения без пайки

Применение

высокопрочные проводящие соединения без пайки

Проведите пальцем, чтобы просмотреть Кнопка «Добавить в корзину» 

Деталь №	Размер	шт. в упаковке	Цена за ящик	Добавить в корзину
	Проводящая эпоксидная смола CircuitWorks Клей, шприц 7 г (0,25 унции), отвердитель, шприц 7 г (0,25 унции), в блистерной упаковке	12 блистеров	1149 долларов США0,72
	CircuitWorks 60 Minute Conductive Epoxy Клей, банка 10 г (0,35 унции), отвердитель, банка 10 г (0,35 унции), в блистерной упаковке	12 блистеров	1561,08 долларов США

Заказ у авторизованного дистрибьютора

Наш веб-сайт использует файлы cookie.