Устройство для демонстрации законов электродинамики
Предложено устройство для демонстрации законов электродинамики содержащее основание, устройство крепления тела вращения, блок ждущего генератора с индуктивной катушкой, источник питания, тело вращения с магнитом, ось намагничивания которого перпендикулярна его оси вращения.
Отличием предлагаемого вращающегося устройства от известных решений является то, что ось намагничивания индуктивной катушки параллельна оси намагничивания магнита.
Это позволяет расширить функциональные возможности устройства, снизить энергопотребление, повысить зрелищный эффект.
Предложены различные конструктивные варианты.
Предлагаемое устройство может быть использовано как игрушка, а также как средство научно-технического досуга или наглядное пособие.
Предлагаемое устройство относится к области создания игрушек, а также средств научно-технического пособия при демонстрации в наглядной форме законов электродинамики, в частности, движения, возникающего за счет взаимодействия магнитных полей.
Известная игрушка - качели, по авторскому свидетельству СССР №282986 класс МКИ А63Н 13/16 от 17.01.66 г., содержит неподвижное основание, внутри которого размещен ждущий генератор с индуктивной катушкой, стойку, нижний конец которой закреплен на основании, а верхний конец соединен с верхним концом тяги, к нижнему концу которого подвешен груз, внутри которого размещен постоянный магнит, что совпадает с существенными признаками предлагаемого устройства. Причем стойка выполнена П-образной формы, ее перекладина имеет вид оси, к которой с помощью жестких тяг подвешен груз - люлька качелей. Ось подвески груза - люльки, ось намагничивания магнита и индуктивной катушки совпадают.
Недостаток игрушки состоит в малой занимательности из-за строгой регулярности движения и его минимального количества степеней свободы.
Известна игрушка - маятник по патенту США №4.728.871 класс 318/130 от 01.03.1988, содержащая основание, внутри которого размешен ждущий генератор с индуктивной нагрузкой, стойку, нижний конец которой закреплен на основании, а верхний конец соединен с верхним концом тяги, к нижнему концу которой подвешен груз, внутри которого размещен постоянный магнит. Тяга выполнена в виде жесткого стержня, а оси намагничивания постоянного магнита, катушки индуктивности, стержня совпадают.
Недостаток игрушки - маятника состоит в том, что количество степеней движения груза также ограничено. А именно происходит только колебание жесткого стержня с магнитом.
Известна игрушка - маятник по свидетельству Российской федерации №10105 класс 6 А63Н 13/18 от 04.09.1998 года фиг.2, принятая за прототип. Игрушка - маятник содержит основание, внутри которого размещен ждущий генератор с индуктивной нагрузкой, стойку, нижний конец которой закреплен на основании, а верхний конец соединен с верхним концом тяги, к нижнему концу которой подвешен груз, внутри которого размещен постоянный магнит, тяга выполнена с возможностью закручивания вокруг своей оси, при этом ось намагничивания катушки совпадает с осью подвеса, ось намагничивания постоянного магнита перпендикулярна отрезку, соединяющему центр масс груза и точку его подвеса.
Работает рассматриваемое устройство следующим образом.
Итак, пусть груз с магнитом, подвешенный тягой к стойке, закрепленный на основании, выведен из положения равновесия и колеблется. При прохождении магнита над ждущим генератором с индуктивной
нагрузкой в последнем за счет ЭДС индукции наводится импульс и которым запускается ждущий генератор, формирующий в катушке однократный импульс, полярность которого такова, чтобы наведенное магнитное поле увеличило скорость движения груза с магнитом. Таким образом осуществляется подкачка энергии в систему, что делает колебания груза незатухающими.
Поскольку ось магнита горизонтальна и полюса разнесены по разные стороны от оси вращения груза, то сила взаимодействия любого из полюсов магнита с магнитным полем импульса, сформированного ждущим генератором с индуктивной нагрузкой, сообщает грузу, кроме линейного ускорения, и момент вращения, закручивая тягу.
При этом энергия закручивания накапливается до некоторого предельного значения, после чего груз начинает вращаться в другую сторону, тяга раскручивается и процесс протекает в другую сторону, после чего циклически повторяется. При этом траектория маятника груза и магнита имеет псевдоустойчивый характер из-за наложения большого числа факторов, задающих движение.
Следует отметить, что раскручивание/закручивание нити сопровождается опусканием/подниманием груза вследствие изменения длины тяги. При этом сила магнитного взаимодействия магнита с индуктивной катушкой циклически изменяется. При этом фаза движения груза, при которой тяга сильно закрученная укорачивается и подкачка энергии в систему уменьшается. Это позволяет грузу быстрее перейти в фазу раскручивания тяги, что облегчает режим ее работы.
В рассматриваемой игрушке - маятнике груз с магнитом кроме колебаний в трех плоскостях имеет возможность одновременно вращаться, что увеличивает зрелищный эффект.
Груз с магнитом в некоторые моменты работы может не иметь линейного ускорения, а только вращаться. При этом ось подвески тяги и ось намагничивания индуктивной катушки совпадают. А так как в зоне действия индуктивной катушки нет изменяющегося магнитного потока, то, следовательно, не наводится ЭДС индукции. Ждущий генератор не наводит в индуктивной катушке однократного импульса, что приводит к остановке вращения. Возможно линейное перемещение груза с магнитом вне зоны действия индуктивной катушки. Возможно вращение груза с магнитом вокруг зоны действия индуктивной катушки. Во всех перечисленных случаях, даже если через некоторое время груз с магнитом входит в зону действия индуктивной катушки, наводимой ЭДС индукции, бывает недостаточно для запуска ждущего генератора.
Цель предлагаемого изобретения - устранить указанные недостатки прототипа - обеспечить устойчивую работу устройства без увеличения расхода энергии и усложнения конструкции.
Устройство по предлагаемому изобретению содержит основание, устройство крепления, блок ждущего генератора с индуктивной
катушкой, источник питания, тело вращения с магнитом, ось намагничивания которого перпендикулярна его оси вращения.
Отличием предполагаемого изобретения от прототипа является то, что ось намагничивания индуктивной катушки параллельна оси намагничивания магнита.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами.
Список фигур чертежей.
Фиг.1 Общий вид.
Фиг.2 Устройство с размещением ждущего генератора с индуктивной катушкой и источником питания в емкости с жидкостью.
Фиг.3 Индуктивная катушка с сердечником.
На всех чертежах использованы следующие обозначения условных элементов:
1 - основание;
2 - устройство крепления;
3 - блок ждущего генератора;
4 - индуктивная катушка;
5 - источник питания;
6 - тело вращения с магнитом;
7 - ось намагничивания с магнитом;
8 - ось намагничивания магнитной катушки;
9 - нижний конец стойки;
10 - верхний конец стойки;
11 - тяга;
12 - верхний конец тяги;
13 - нижний конец тяги;
14 - сердечник;
15 - емкость с жидкостью.
Принцип работы устройства рассмотрим на примере конструктивного исполнения, изображенного на фиг.1.
Устройство содержит основание 1, устройство крепления 2, нижний конец стойки 10 соединен с верхним концом тяги 12. Нижний конец тяги 13 соединен с телом вращения с магнитом 6. Ось намагничивания магнита 7 перпендикулярна оси вращения магнита 7. В основание 1 встроен блок ждущего генератора 3, индуктивная катушка 4 и источник питания 5.
Существенным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что ось намагничивания индуктивной катушки 8 параллельна оси намагничивания магнита 7.
Итак, пусть тело вращения с магнитом 6 выведено из положения равновесия и колеблется на тяге 11. При прохождении тела вращения с магнитом 6 над индуктивной катушкой 4 в последней за счет ЭДС индукции наводится импульс, которым запускается блок ждущего генератора 3, формирующий в той же индуктивной катушке 4 однократный импульс,
полярность которого такова, чтобы наведенное поле увеличило скорость движения тела вращения с магнитом 6. Таким образом, осуществляется подкачка энергии в систему, что делает колебание тела вращения с магнитом 6 незатухающим.
Следует сказать, что запуск блока ждущего генератора возможен и другими способами, например, герконом или с помощью дополнительной катушки. Кроме линейного перемещения, поскольку ось намагничивания магнита 7 перпендикулярна оси вращения тела вращения с магнитом 6, а полюса разнесены от оси вращения, то сила взаимодействия любого из полюсов магнита с магнитным полем импульса, сформированного индуктивной катушкой 4, сообщает телу вращения с магнитом 6, кроме линейного ускорения и момент вращения, закручивая нить, выполняющую роль тяги 11. При этом энергия закручивания нити накапливается до некоторого предельного значения, после чего тело вращения с магнитом 6 начинает вращаться в другую сторону, тяга раскручивается и процесс протекает в другую сторону. При этом траектория тела вращения с магнитом 6 имеет псевдослучайный характер из-за наложения большого числа факторов, задающих движение.
Следует отметить, что раскручивание или закручивание тяги 11 сопровождается опусканием или подниманием тел вращения с магнитом 6 вследствие изменения длины силы тяги. При этом сила магнитного взаимодействия двух полей циклически изменяется в связи с циклическим изменением длины тяги 11.
Далее покажем, что благодаря существенным отличиям предлагаемого устройства обеспечивается требуемый технический результат.
Псевдослучайный характер траектории тела вращения с магнитом 6 позволяет в предлагаемом устройстве достаточно долго находиться в отклоненном от оси подвеса состоянии без пропуска однократных импульсов.
Объясняется это следующим.
В рассматриваемых устройствах для улучшения энергетических параметров, так как электропитание, как правило, осуществляется от аккумулятора или батарейки, длина индуктивной катушки в 2-4 раза больше ее диаметра. Поэтому при больших амплитудах колебания с одновременным вращением, тело вращения с магнитом несколько периодов может не попасть в зону действия магнитного потока индуктивной катушки. Это приводит к остановке колебательного процесса, так как даже при уменьшении амплитуды и зависании тела вращения с магнитом над индуктивной катушкой ЭДС индукции недостаточно для продолжения процесса. Уменьшение амплитуды колебания конструктивно приводит к снижению зрелищного эффекта.
Выполнение индуктивной катушки по предлагаемому изобретению позволяет, без увеличения энергетических параметров и конструкции устройства, увеличить зону влияния ее магнитного потока и обеспечить
устойчивую работу устройства во всем диапазоне возможных перемещений.
На фиг.3 представлен вариант выполнения конструкций индуктивной катушки 4 с сердечником 14, концы которого отклонены в сторону тела вращения с магнитом 6. В этом случае сердечник 14 может быть выполнен из набора круглой проволоки диаметром 0,8-1 мм 2.
На фиг.2 представлен вариант выполнения устройства, в котором на основании 1 установлена емкость с жидкостью 15. На поверхности жидкости плавает блок ждущего генератора 3, индуктивная катушка 4 и источник питания 5. Конструктивное выполнение остальных узлов аналогично представленным на фиг.1.
Такое конструктивное выполнение устройства позволяет усилить зрелищный эффект. При взаимодействии магнитных полей тела вращения с магнитом 6 и индуктивной катушки 4, блок ждущего генератора 3 с индуктивной катушкой 4 и источником питания начинает перемещаться по поверхности жидкости. Линейное и вращательное перемещение блока усиливают зрелищный эффект.
Таким образом, показано, что совокупность существенных отличий предлагаемого устройства обеспечивает получение требуемого технического результата.
1. Устройство для демонстрации законов электродинамики, содержащее основание, устройство крепления тела вращения, блок ждущего генератора, с индуктивной катушкой, источник питания, тело вращения с магнитом, ось намагничивания которого перпендикулярна его оси вращения, отличающееся тем, что ось намагничивания индуктивной катушкой параллельна оси намагничивания магнита.
2. Устройство для демонстрации законов электродинамики по п.1, отличающееся тем, что индуктивная катушка снабжена сердечником, концы которого направлены в сторону тела вращения с магнитом.
3. Устройство для демонстрации законов электродинамики по п.1, отличающееся тем, что устройство крепления содержит стойку, нижний конец которой закреплен на основании, а верхний конец соединен с верхним концом тяги, к нижнему концу которой подвешено тело вращения с магнитом, на основании установлена емкость с жидкостью, в которой плавает блок ждущего генератора с индуктивной катушкой и источником питания.
