План исследованияx

Федеральное окружное соревнование молодых исследователей центрального
федерального округа «Шаг в будущее, Центральная Россия»
СИНХРОФАЗАТРОН НА СТОЛЕ
ФИЗИЧЕСКОГО КАБИНЕТА
Автор:
Пшеничников Артем Алексеевич, 7 класс
Научный руководитель:
Самохин Юрий Петрович,
педагог дополнительного образования,
руководитель лаборатории радиотехнического
конструирования ЦД(Ю)ТТ «Городской» г. Липецка
Липецк, 2014 г.
СИНХРОФАЗАТРОН НА СТОЛЕ ФИЗИЧЕСКОГО КАБИНЕТА
Пшеничников Артем Алексеевич
Россия, Липецкая, Липецк, 7
Аннотация
Настоящий синхрофазотрон - это зачастую громоздкое сооружение, где
частицы с помощью электромагнитов разгоняются до околосветной
скорости.
Предложенное на рассмотрение мое устройство намного скромнее. И
в тоже время может являться наглядным пособием на уроках физики при
изучении магнитизма и других физических явлений.
Все устройство состоит из 8 электромагнитов, расположенных на
окружности диаметром 30 см, внутрь которых продета прозрачная трубка, а
в ней – стальной шарик.
В корпусе катушек каждого электромагнита установлена оптопара для
подачи команды включения электромагнита при приближении шарика. Сила
втягивания (разгона) шарика достаточна чтобы он докатился до следующего
электромагнита. И так по очереди от одного электромагнита к другому
шарик совершает вращение по кругу. Скорость вращения в небольших
пределах можно менять, изменяя питающее напряжение.
Чтобы опыт был более красочным, в районе каждого электромагнита
находится светодиод, который вспыхивает при проходе через проём, или,
при переключении в другое положение, светодиоды будут гаснуть по
очереди.
Питается все устройство от напряжения 12 В.
СИНХРОФАЗАТРОН НА СТОЛЕ ФИЗИЧЕСКОГО КАБИНЕТА
Пшеничников Артем Алексеевич
Россия, Липецкая, Липецк, №20, 7
План исследования
Проблема: Мало наглядных пособий этого направления
Гипотеза: Возможно ли устранить эту проблему.
План:
1. Изучение литературы по истории и работе настоящих синхрофазатронов.
2. Изучение публикаций про электромагнитные пушки.
3. Изготовление и испытание электромагнита.
Для этого экспериментальным путем было установлено, что оптимальный вариант
электромагнита, при котором шарик выбегает на наибольшее расстояние, должен
состоять из 200 витков провода диаметра 0,35 мм.
При этом максимальный выброс тока, который я замерил, собрав следующую схему,
достигает значения 3 А.
U=0.3в
0,1Ом
Блок
питания
Один недостаток этой схемы – выбег шарика сильно зависит от времени замкнутых
контактов кнопки КН. Получалось, что чем меньше это время, тем дальше летал шарик.
Многое зависело от того, на каком расстоянии находился шарик от электромагнита во
время подачи напряжения на электромагнит. Из этого сделан вывод:
электромеханическая подача напряжения не года.
4. Изучение работы оптоэлектронных спусковых устройств.
5. Подборка фото- и светодиодов.
6. Разработка электронной схемы включения электромагнита.
С этой схемой максимальный выбег шарика достигал 150 мм., причем в конце выбега
скорость шарика была очень маленькой. Принял решение использовать участок
наибольшей скорости примерно 125 мм. Чтобы замерить время, за которое шарик
пробегает это расстояние собрал следующую схему.
стоп
12.5мм
пуск
Получилось оно тоже не одинаково и колеблется от 100 мсек до 150 мсек. Взял исходное
среднее значение – 125 мсек.
Итак, зная расстояние и время, подсчитал скорость, с которой будет вращаться шарик.
Один оборот шарик будет делать примерно за 1 сек при диаметре круга 30 см.
7. Разработка печатных плат.
8. Испытание и доводки.
СИНХРОФАЗАТРОН НА СТОЛЕ ФИЗИЧЕСКОГО КАБИНЕТА
Пшеничников Артем Алексеевич
Россия, Липецкая, Липецк, №20, 7
Описание
Первые воспоминания о синхрофазатроне появились в литературе еще в начале ХХ
века. В то время мало кто представлял что это такое. В наше время практически каждый
ребенок имеет представление о работе этого устройства. Но, как говорится в поговорке,
лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Поэтому и было разработано мной
устройство, имитирующее работу синхрофазатрона. Это устройство, которое по кругу
разгоняет стальной шарик с помощью электомагнитов ( см. прил. 1)
Главное – это вовремя включить электомагнит, чтобы произошел наибольший
выкат шарика. Вот за это и отвечает электронная схема ( см. прил. 2).
Она работает следующим образом: светодиод VД1 все время включен и своим
ярким светом заставляет вырабатывать небольшое напряжение освещая диод VД2 (то,
что светодиоды типа АЛ307 вырабатывают при освещении напряжение уже было
неоднократно написано). Применил этот метод работы оптопары, чтобы избавиться от
негативного влияния естественного освещения. Выработанное диодом VД2 напряжение
открывает транзистор VТ1 (тип КТ 315), а он закрывает транзистор VТ2 и через обмотку
электромагнита не проходит ток. Стоит только шарику перекрыть освещение диода VД2,
транзистор VТ1 закрывается и дает разрешение на открытие транзистора VТ2, который
включает обмотку электромагнита. При этом длительность импульса тока составляет
примерно 0.4 м сек (замерено мной осциллографом С1-54). Эта длительность очень мала.
Чтобы за такое малое время прошло как можно больше тока, я применил мощный
полевой транзистор, взятый с материнской платы списанного компьютера. Сопротивление
между стоком и истоком таких транзисторов в открытом состоянии составляет не более
0,1 Ом (справочные данные). Параллельно и последовательно катушке через
ограничительные сопротивления подключаются светодиоды. Если подключен светодиод
VД3, то при каждом проходе шарика через электромагнит светодиод будет вспыхивать, а
если подключен диод VД4, он сразу будет светиться и при прохождении шарика будет
погасать. Эта доработка никак не влияет на работу устройства, но очень оживляет
демонстрацию.
Блок питания применил согласно расчетам, мощный, способный выдержать
кратковременно ток до 5А при напряжении 12-15 В. Он импульсный, готовый, взят со
старого принтера.
Все устройство расположено на площадке размером 45 см х 32 см. Катушка
электромагнита и оптопара изготавливались самостоятельно. Электронные схемы
включения электромагнитов, а их 8, разместил на 2х печатных платах ( см. прил. Фото)