Яценко Олексій, Левченко Артем
Науковий керівник: канд.тех.наук, доцент Гуляева Т.В.
Запорізький національний технічний університет
Анотація: В статті пропонується експериментальна установка “Сходи Іакова” для демонстрування явища електричної дуги студентам вищих технічних навчальних закладів.
Ключові слова: електрична дуга,задаючий генератор, високовольтний трансформатор, принципіальна схема.
Актуальність теми. Одним з класичних методів навчання у вищому технічному навчальному закладі є лекція. Лекція – такий вид заняття, який передбачає виклад фактів, об'єктивних зв'язків, опосередкування між явищами. В ході лекційного заняття між лектором та слухачами відбувається діалог, що забезпечує діагностику та отримання лектором зворотної інформації про якість сприйняття і засвоєння матеріалу студентами. Лекція повинна розвивати основні компетенції студентів, залучати їх до процесу уважного слухання, візуального спостереження допоміжних засобів, конспектування і бути цілісним, закінченим заняттям.
Одним із способів концентрації уваги студентів є демонстраційний експеримент. Як відомо, демонстраційний експеримент у процесі навчання та отримання нових знань використовується для показу фізичних явищ, формування фізичних понять, показу зв'язків між явищами, можливих шляхів їх використання в сучасній техніці. Наприклад, газові розряди.
Відомо, що прикладом електричної дуги є зварювання. Але як її показати у стінах університету? Демонстрування цього розряду потребує суворого виконання правил техніки безпеки. Виходом з цього може бути створення експериментальної установки “Сходи Іакова”, що хоча і є високовольтним приладом, але не потребує захисту очей від ультрафіолетового випромінювання.
Мета роботи. Опис експериментальної установки “Сходи Іакова” для демонстрування явища електричної дуги, що можна використати як елемент проблемного навчання.
Виклад основного матеріалу. Однією з найпростіших високовольтних конструкцій, є сходи Якова. За допомогою даної демонстраційної установки можна спостерігати підйом високовольтної дуги вгору між двома металевими проводами. Справа в тому, що дуга нагріває повітря, яке піднімається вгору разом з дугою, а дуга піднімається вгору разом з повітрям з однієї причини – у підігрітого повітря опір менший, ніж у холодного. Дана установка складається з задаючого генератора, високовольтного трансформатора, сходів (рис. 1).
Рис. 1. Зовнішній вигляд установки: 1 – задаюча частина, 2 – високовольтний трансформатор, 3 – самі сходи.
Розглянемо більш конкретно роботу кожної частини.
Задаючий генератор. Простий перетворювач зворотнього ходу (флайбек). UC3845 – високоякісний ШІМ контролер, максимальна робоча частота до 1 МГц. Усередині мікросхеми є додатковий підсилювальний каскад, а це означає, що вихідний сигнал попередньо підсилювати не потрібно. Сигнал від мікросхеми на транзистор подається через обмежувальний резистор на 10 Ом, це знімає перевантаження з мікросхеми, в результаті чого остання не перегрівається в ході роботи.
Високовольтний трансформатор. В якості високовольтного трансформатора може бути використаний ТВС - 110Л/6 або будь-який інший. На вільному боці мотаємо обмотку – 5 витків дроту 1,2 - 1,5 мм, первинні обмотки можна не чіпати, вони заважати нам не будуть, але при бажанні можна зняти. Далі збираємо перетворювач і включаємо. На виводах вторинної обмотки утворюється дуга, яка доходить до 3-х см.
Сходи. Відстань між електродами внизу повинна відповідати максимальній відстані виникнення дуги, а між електродами нагорі – максимальній відстані утримання дуги. Сила струму повинна бути не менше 5 мА.
Принцип роботи даної установки можна пояснити на спрощеному варіанті схеми (рис. 2).
Рис. 2. Спрощена схема установки.
Відразу після включення (рис. 2 а) конденсатор С2 розряджений, транзистор закритий, в трансформаторі струму немає. Починається зарядка конденсатора, час зарядки залежить від його ємності і опору R1. Під час зарядки конденсатора напруга на його клемах не може встановитися максимальною (перехідний процес), а струм навпаки обмежений тільки резистором R1.
При зростанні струму в трансформаторі (рис. 2 б) на обмотці бази індукується ЕРС, яка спільно з ЕРС конденсатора С2 підвищує напругу на базі транзистора, який у свою чергу відкривається все більше і збільшує ЕРС на базовій обмотці – виходить принцип доміно. Але цей процес буде продовжуватися тільки до насичення транзистора.
Подальше насичення трансформатора (рис. 2 в) продовжуватися не може і на базовій обмотці зникає ЕРС, транзистор починає закриватися. Через накопичення енергії в осерді трансформатора починає виникати індуктивний викид (при відключенні індуктивності від джерела струму на її кінцях з'являється ЕРС протилежна за напрямком струму, який протікав у ній до відключення). Цей викид закриває швидше транзистор і починає заряджати розряджений конденсатор С2. Тут знову виходить замкнуте коло – швидше закривається транзистор – більший індуктивний викид виходить, який ще швидше закриває транзистор. Цей процес йде до повного виснаження осереддя. Далі конденсатор С2 заряджається від джерела живлення (якщо викид його не зарядив, так як зворотний базовий струм і базова ємність транзистора малі - більша частина викиду просто зникає нічого не роблячи) і процес повторюється з початку.
Висновки. Використання демонстраційного лекційного експерименту при викладанні фізики для студентів вищих технічних навчальних закладів сприяє концентрації уваги, кращому сприйняттю матеріалу, що викладається, а також розвитку основних компетенцій. Використання експериментальної установки “Сходи Іакова” для демонстрування явища електричної дуги дозволяє студентам наочно представити та побачити електричну дугу. Ми також вважаємо, що творчо поставлений експеримент «вживу» за добре продуманою методикою дасть більше користі, ніж комп'ютерні моделювання фізичних дослідів, які все ширше впроваджуються у викладанні фізики.
Список літератури:
- Компетенция: сущность, структура, основные виды / Электронный ресурс: http:// uchebnikionline.com/pedagogika/pedagogika_-_moyseyuk_nye/kompetentsiya_sut_struktura_ osnovni_vidi.htm.
- Яннинин Б. Удивительные электронные устройства. / Боб Яннини; пер.с англ. С. О. Махарадзе. – М: НТ Пресс. – 2008. – 400 с.: ил. – (Электроника для начинающего гения)
- Лестница Иакова на строчном трансформаторе / Электронный ресурс: http://cxem.net/tesla/tesla11.php.