Изучение электродинамических параметров

Сейчас рост благосостояния и качества жизни у среднеобеспеченных семей позволяет обзаводиться многими электроприборами, которые призваны помогать в быту, повседневных делах и просто служат средством развлечения, проведения свободного досуга. Эти приборы всё чаще входят в нашу жизнь. При этом я веду речь именно о приборах с «постоянной пропиской», т. е. о тех, которые работают непосредственно от электросети. Но, несмотря на всю их явную пользу и необходимость у всех из них есть один минус. Скажем, музыкальный центр постоянно подключён к сети, но используем мы его лишь некоторое время. Иными словами при постоянном включении полезная работа составляет лишь некоторую часть от всего времени работы. Это происходит потому, что в подобных приборах имеются элементы, постоянно потребляющие электричество: мерцающие логотипы, электронные часы, просто отдельные лампочки, демонстрирующие подключение к сети.

Также, затронув тему электроприборов, я исследовал магнитное поле Земли и его численное значение в пределах нашей школы №4, так, как мне часто приходится слышать о так называемых магнитных бурях, об их влиянии на человека, работу различного оборудования.

Мы живём, на планете, имеющей магнитное поле, под действием которого мы постоянно находимся. Если же оно по каким-либо причинам меняется, то возникают различные проявления таких отклонений. В научной литературе есть немало доказательств взаимосвязи между магнитными изменениями и количеством разнообразных заболеваний, ДТП.

Измерение магнитного поля земли

Чтобы иметь более широкое представление о явлениях, связанных с магнитным полем Земли (далее м. п. ), я обратился к справочной литературе.

Так я узнал, что основной причиной возникновения магнитных бурь является активность Солнца. Когда она возрастает, количество всевозможных частиц, излучаемых Солнцем, увеличивается и, доходя до Земли, они создают собственное магнитное поле, которое изменяет земное, причём в разных областях Земли эти изменения различны. Соответственно, необходимо иметь информацию о магнитном поле, так же, как и о температуре воздуха или атмосферном давлении. Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В. Для начала я решил её измерить. Оказалось, что это не так то просто сделать при отсутствии специальных приборов.

Способ измерения м. п. №1

Из курса физики известно: при изменении магнитного потока в проводнике возникает электрический ток, т. е. действует закон электромагнитной индукции. Так как величина магнитной индукции Земли не очень велика, то для измерений появляющегося тока я изготовил рамку 50x50 см. , намотал на неё большое количество провода, определил число витков и сделал необходимые вычисления.

При практическом выполнении работы, когда расположение вектора В индукции м. п. в пространстве неизвестно, в двух отдельных опытах: определяют горизонтальную Вг и вертикальную Вв компоненты вектора В и вычисляют модуль их геометрической суммы. Выводы катушки на рамке присоединяют к микроамперметру, саму рамку располагают: а) сначала перпендикулярно горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли, ориентируясь по стрелке компаса; б) потом горизонтально. В обоих случаях, поворачивая катушку на 180 , измеряют протекающий по катушке заряд.

Изменение магнитного потока через контур сопровождается возникновением ЭДС индукции, равной по закону электромагнитной индукции

E=2*n*B*S/t;

В катушке из п витков провода ЭДС индукции в n раз больше,

Если выводы катушки на рамке закоротить, в цепи будет протекать индукционный ток

I=E/R=2*n*B*S/(R*t);

I*t=2*n*B*S/R=q => B=q*R/(2*n*S).

Где q-заряд, возникающий в цепи при повороте рамки, R-общее электрическое сопротивление цепи.

Для того чтобы микроамперметр показывал заряд, я провёл следующую работу. Взяв конденсатор известной ёмкости (10 мкФ), я зарядил его от источника с известным напряжением (4,42 Вольт), а разрядил его при помощи микроамперметра и определил, таким образом, отклонение стрелки (1 деление) при данном заряде (проградуировал). Далее из источника тока, микроамперметра и двойного ключа, собрал данную схему.

По показаниям микроамперметра, я определил, что при повороте катушки на 180° по вертикальной оси q=17,6*10-6 Кл, а при. повороте на 180° по горизонтальной q=4*10-6 Кл.

В=(ВГ2+Вв2)1/2; В=Вг+Вв

Вв=17,6* 10-6* 17,4/(2*30*0,25)=20,4* 10-6 Тл

Вг=4*10-6* 17,4/(2*30*0,25)=4. 6* 10-6 Тл

B=(416,2*10-12+21,2*10-12)1/2=21*10-6 Тл

Я провёл измерения магнитной индукции несколько другим способом, изложенным ниже.

Способ измерения м. п. №2

При отсутствии тока в катушке магнитная стрелка устанавливается по направлению вектора индукции магнитного поля Земли, точнее, в направлении его горизонтальной составляющей. Поворачивая прибор вокруг вертикальной оси, можно совместить плоскость катушки с направлением горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли: (см. рис. ). Если по катушке пропустить ток, то он создаёт своё магнитное поле. Вектор индукций этого поля в центре катушки направлен по оси катушки, т. е. лежит в горизонтальной плоскости, а величина его Вк равна:

Bк=m*I*N/(2*R) где I-сила тока в катушке, N-число витков, R-радиус катушки, m- магнитная постоянная.

Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля в центре катушки В представляет собой векторную сумму поля катушки Вк и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Вг. Именно в направлении вектора В и ориентируется магнитная стрелка. Из рисунка видно, что tgA=Bк/Bг где А-это угол между направлением магнитной стрелки и плоскостью катушки. Таким образом, зависимость тангенса угла отклонения магнитной стрелки от индукции магнитного поля катушки является линейной. Угловой коэффициент k прямой, построенной в координатах (Вк , tgA) определяется величиной горизонтальной составляющей индукции магнитного поля k=l/Br

Из графика видно, что k=0,017*10-7 1\Tл (=> Вг=1\к=58*10-7 Тл. Поскольку Вг в 1-ом эксперименте =20,4*10-7 , а во 2-ом = 38*10-7 Тл, значит погрешности в измерениях приборов велики)

Способ измерения №3

После того, как я измерил магнитное поле двумя способами и получил результаты не сильно отличающиеся друг от друга, я сделал вывод о том, что индукцию магнитного поля можно измерять подобным образом и по полученным результатам делать выводы. Достоинством таких методов является, то, что установки собираются из имеющегося в каждой школе оборудования. Недостатком является то, что требуется немало времени для проведения экспериментов и обработки данных.

Совсем недавно появилась возможность провести измерения с помощью измерительного комплекса «Архимед», в котором есть датчик магнитного поля, работающий совместно с измерительной системой «TriLink» и карманным компьютером, помощью данного датчика я измерил. горизонтальную и вертикальную составляющие магнитного поля в разных местах.

Среднее значение Вг=6*10-6 Тл, причем оно меняется в зависимости от направления. По этому поводу у меня возникли следующие соображения. Приходилось слышать и читать о том, что человеку во время сна желательно находиться во время сна по линии север-юг. Если это и так, то думаю что стороны горизонта здесь ни причём. Основную роль здесь, по моему мнению, играет горизонтальная составляющая магнитного поля, которая в нашей местности не направлена по линии север-юг. Дело в том, что мы живём, на достаточно высокой широте (=62°),а значит, направления на магнитный и географический полюса у нас отличаются значительно.

Установить направление на магнитного полюса несложно - это можно сделать с помощью датчика или магнитной стрелки, а вот с географическим полюсом, сложнее (чаще всего его путают с магнитным). Способы определения направления на север по разным приметам не очень точны. Можно воспользоваться полярной звездой или солнцем. Солнце в полдень даёт тень по линии север-юг. Но здесь возникает другая проблема - когда наступает полдень в нашем городе? Многие думают, что в двенадцать или в час, но это не так, т. к. мы живём но поясному времени, а. не по местному времени.

Эту проблему можно решить так.

В полдень солнце выше всего над горизонтом, а значит тень от вертикально поставленного предмета имеет минимальные размеры.

Вертикальная составляющая магнитного ноля оказалась Вв= 30*10-6 Тл. Некоторое отличие с предыдущими измерениями объясняется погрешностью, которой не избежать в любом эксперименте. Измерения, которые я проводил, в разных местах школы, и дома показали наличие отклонения, магнитной индукции от средних значений в некоторых местах. Например, около работающей теле- и радио- аппаратуры, ПК, сотового телефона. В некоторых случаях превышение бывает многократным. Измерения показали, что изменения магнитной индукции сильно зависят от расстояния до электроприбора, а также, что одни из них общую магнитную индукцию увеличивают, другие же наоборот - уменьшают. Это связано с тем:, что собственное магнитное поле может совпадать с внешним.

Отсюда напрашивается такой вывод -нужно постоянно контролировать магнитное поле и это, как я понял, вполне возможно.

Проблема ждущего режима

В этой, части работы я решил определить затрачиваемое количество электроэнергии на так называемый «ждущий режим». Для этого с помощью мультиметра измерил силу тока, потребляемого электроприбором в данном режиме, а затем по формуле P=U*I нашёл соответствующую мощность. Используя, формулу A=U*I*t, нашёл работу тока в кВтч. Полученные данные отображены в таблицах и диаграммах. По ним видно, что к. п. д. некоторых из них не очень высок, если судить по количеству расходуемой электроэнергии.

Потребление электроэнергии в день:

Энергия, потребляемая приборами со ждущим режимом:

Для того, чтобы оценить какова доля затрат на ждущий режим, я провёл вычисления расхода электроэнергии для устройств, которые не имеют такого режима. Полученные данные отобразил в таблице. В итоге получил следующие результаты:

Приборы Р(Ватт) t(часов в сутки) А(Ватт-час)

Лампы 1 22x3 3,5 231

Лампы 2 22 3 66

Лампа 3 60x5+11 3 933

Чайник 2200 0,4 880

Холодильник 100 12 1200

Электроплита 5000 1,5 7500

Пылесос 1300 0,25 325

Стиральная машина 800 0,4 320

Итого 11455

Данные, приведенные в диаграмме «Энергия, потребляемая приборами со ждущим режимом», показывают, что устройства, имеющие выше обозначенный режим работы, расходуют энергии в два раза (!) больше, нем необходимо.

Если сравнить А(Ватт-час) в Ж. Р. с общими затратами, то

11455 +1161+=13714,2 Ватт-час (вся расходуемая энергия)

13714,2<=>100% 1098,2 <=> 8%

Полученный результат я решил сравнить с другими исследованиями в этой области. В научных журналах нашёл информацию по этому вопросу для некоторых стран (по нашей стране, увы, никаких данных не приведено). Оказывается, что на холостую работу в США уходит 5% общего потребления электроэнергии в домохозяйствах. И эта, вроде бы небольшая, цифра означает, что примерно 18 электростанций средней мощности работают вхолостую. Во Франции исследование дало цифру 7%, а в некоторых странах она доходит до 13%. В этих странах уже ведётся борьба против этого явления. Например, в нескольких американских штатах запрещено производить телевизоры и DVD проигрыватели, потребляющие в дежурном режиме более 3 Ватт. По моим измерениям у нас эти устройства потребляют в среднем примерно 8 Ватт.

Я думаю, что и нам необходимо обратить внимание на эту проблему, чтобы сэкономить то количество энергии, которое сейчас тратиться впустую.

Также, проведя опыты по измерению магнитной индукции поля Земли, я установил величину, как её горизонтальной составляющей, так и основной в целом. Правда, при проведении двух опытов, их результаты относительно Вг отличались друг от друга значительно, в связи с низкой точностью показаний измерительных приборов. Повторю, что необходимо знать нормальное значение магнитной индукции, так же, как и температуру воздуха, давление, чтобы быть в курсе его изменения, так как влияние его на здоровье достаточно ощутимо.