Latająca "lampka" świecąca bez baterii. Demonstracja zjawisk fizycznych w polu elektromagnetycznym

Zalążkiem naszego projektu był pomysł zbudowania urządzenia, służącego do przesyłania energii elektrycznej na odległość za pomocą pola magnetycznego. Do wykonania prototypu "linii transmisyjnej" użyliśmy dwóch cewek powietrznych. Jak się przekonaliśmy, z jej wykorzystaniem można było zasilić bezprzewodowo niewielki odbiornik elektryczny.

Kiedy wstępne eksperymenty przekonały nas, że taki przekaz jest możliwy, postanowiliśmy przygotować pokaz zastanawiając się jednocześnie, w jaki sposób uatrakcyjnić go dla potencjalnego odbiorcy. Dodanie funkcji lewitacji spełniło nasze oczekiwania. Widok diody świecącej bez baterii na dodatek swobodnie zawieszonej w powietrzu, zaskakuje niejednego obserwatora.

Fotografia 1. Uczniowie gimnazjum w Ociążu wykonują doświadczenie

Fotografia 2. Efekt lewitującej lampki w zaciemnionym pomieszczeniu

Urządzenie pokazane na fotografii 1 wykonanej podczas przeprowadzania doświadczeń przez uczniów gimnazjum w Ociążu, umożliwia demonstrowanie zjawisk fizycznych zachodzących w polu elektromagnetycznym. Może ono być wykorzystane w roli pomocy dydaktycznej na lekcjach fizyki w gimnazjum lub w szkole ponadgimnazjalnej.

Nazwa projektu "Latająca lampka świecąca bez baterii", została wymyślona w celu zaintrygowania gimnazjalistów, dla których, zaplanowaliśmy i przeprowadziliśmy pod opieką nauczyciela Zespołu Szkół Technicznych w Ostrowie Wielkopolskim, którego byliśmy wówczas uczniami, kilkanaście lekcji z jego wykorzystaniem. Opracowany scenariusz lekcji, instrukcja obsługi, oraz prezentacja w programie Power Point, wspomagały nas przy jej realizacji.

Uczniowie biorący udział w zajęciach mogli bezpiecznie i aktywnie uczestniczyć w realizacji pokazów. Samodzielnie budowali "latającą lampkę", a punktem kulminacyjnym było swobodne zawieszenie w powietrzu wykonanej lampki, zasilanej bezprzewodowo z odległości około dwudziestu centymetrów. Efekt lewitującej lampki w zaciemnionym pomieszczeniu przedstawia fotografia 2.

Fotografia 3. Pokaz działania elektromagnesu

Fotografia 4. Pokaz lewitacji przedmiotu

Urządzenie umożliwia:

• Zademonstrowanie działania elektromagnesu oraz wpływu natężenia prądu płynącego w przewodzie na wartość powstającej siły magnetycznej (fotografia 3).
• Pokaz zjawiska lewitacji, tzn. swobodnego zawiśnięcia przedmiotu w powietrzu, gdy ciężar przedmiotu jest równoważony przez przyciąganie elektromagnesu (fotografia 4).
• Zademonstrowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej dzięki bezprzewodowemu przesyłaniu energii elektrycznej za pomocą zmiennego pola elektromagnetycznego, co objawia się świeceniem diody LED umieszczonej w polu elektromagnesu (fotografia 5 ).
• Jednoczesne zademonstrowanie "przenikających się" dwóch zjawisk tj. działania siły magnetycznej wywołującej lewitację oraz zjawiska indukcji elektromagnetycznej, czego efektem jest zaświecenie lewitującej lampki (fotografia 6).

Budowa

Funkcjonalnie urządzenie można podzielić na dwie części, działające niezależnie od siebie, ale najciekawszy efekt daje ich jednoczesne użycie. Cześć pierwsza, to elektromagnes z funkcją lewitronu (fotografia 7). Część druga to zestaw dwóch cewek do prezentacji zjawiska indukcji elektromagnetycznej, z których jedna umieszczona jest nieruchomo na specjalnej półce o regulowanej wysokości, a druga stanowi element zawieszanej w powietrzu "latającej lampki" (fotografia 8).

Fotografia 5. Demonstracja zjawiska indukcji

Fotografia 6. Bezprzewodowe zasilanie latającej lampki

Obudowa pierwszej części urządzenia - elektromagnesu z funkcją lewitronu, jest w całości wykonana z drewna. W jego dolnej części jest zamontowany zasilacz komputerowy wytwarzający napięcia stałe, potrzebne m.in. do poprawnej pracy układu elektronicznego sterującego funkcją lewitronu. Płytkę elektroniki umieszczono w sąsiedztwie zasilacza.

Do belki poprzecznej, w górnej części konstrukcji, jest przykręcony elektromagnes w postaci uzwojenia nawiniętego na śrubie stalowej M12. Na belkach pionowych, po przeciwnych stronach, nieco poniżej dolnej płaszczyzny elektromagnesu, zamontowane są z jednej strony dwa czujniki - fotorezystory, a z drugiej źródło światła - laser półprzewodnikowy. Pozyskany ze starego komputera zasilacz o mocy 300 W zapewnia napięcie +12 V do zasilania obwodów elektromagnesu oraz napięcie +3,3 V do zasilania lasera.

Zastosowano laser wymontowany z wyrzynarki, w której pełnił funkcje wskaźnika linii cięcia. Tutaj jest przymocowany na kawałku pleksiglasu, za pomocą nakrętek motylkowych, aby można było regulować jego położenie. Za czujniki położenia lewitującego przedmiotu posłużyły dwa fotorezystory, z których jeden mierzy poziom jasności światła w pomieszczeniu, w którym jest urządzenie, a drugi promień światła padający z lasera.

Fotografia 7. Elektromagnes z funkcją lewitronu

Fotografia 8. Półka z cewką nadawczą (na dole cewka odbiorcza)

Drugą część urządzenia stanowi drewniana półka z zestawem dwóch cewek do prezentacji zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Półkę można wstawiać w pole pracy lewitronu,. Wysokość półki, na której spoczywa cewka nadawcza, jest regulowana dzięki zastosowaniu czterech gwintowanych prętów i nakrętek korygujących. Jedno z kilku wykonań cewki "odbiorczej" stanowiącej naszą latającą lampkę pokazano na fotografii 8 w dolnej części półki.

Cewka "nadawcza" to 21 zwojów drutu miedzianego o średnicy 0,5 mm nawiniętego na pudełku po płytach CD. Do końców uzwojenia jest dołączony równolegle kondensator 47 nF/50 V.

Z punktu widzenia sprawności przekazywania energii oraz natężenia generowanego pola elektromagnetycznego najlepiej, aby powstały w ten sposób transformator pracował z częstotliwością rezonansu własnego. Jak stwierdziliśmy podczas budowy i co jest zgodne z teorią, po doprowadzeniu do cewki napięcia zmiennego z generatora o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej obwodu LC wokół elektromagnesu jest wytwarzane silne pole magnetyczne.

Najlepiej, aby zmiany tego pola były odbierane przez uzwojenie wtórne o takiej samej częstotliwości rezonansowej. Dlatego cewka "odbiorcza" ma tę sama liczbę zwojów i jest nawinięta na identycznym pudełku po płytach CD, a do jej uzwojenia dołączono kondensator o takiej samej pojemności, jak w cewce "nadawczej". Do takiego obwodu są dołączone diody świecące LED (w liczbie od 1 do 4) z rezystorami szeregowymi 220 V. Zaświecenie się diod najlepiej świadczy o indukowaniu się prądu w cewce odbiorczej.

Fotografia 9. Generator zasilający cewkę nadawczą, widoczny po lewej stronie urządzenia

Rysunek 10. Schemat ideowy układu sterującego elektromagnesem lewitronu

Do zasilania cewki nadawczej zastosowaliśmy generator laboratoryjny wytwarzający przebieg prostokątny o napięciu ±10 V i częstotliwości regulowanej, ustawionej na około 70 kHz (fotografia9). Docelowo generator będzie zamontowany w obudowie lewitronu obok zasilacza.

Pierwszym etapem realizacji naszego pomysłu było opracowanie schematu ideowego układu sterującego elektromagnesem (rysunek 10), który zmontowaliśmy na własnoręcznie zaprojektowanej i wykonanej płytce drukowanej. Jej projekt pokazano na rysunku 11.

Cewkę elektromagnesu wykonaliśmy nawijając 130 m DNE 0,9 mm na stalowej śrubie M12 (fotografii 12). Cewki nadawczą i odbiorczą nawijaliśmy ręcznie. Jest to prosta czynność, co potwierdza fakt, że uczniowie gimnazjum podczas prowadzonych przez nas lekcji, samodzielnie budowali (nawijali) "latającą lampkę". Indukcyjność cewki jest zdeterminowana liczbą zwojów, średnicą cewki oraz przekrojem przewodu i wynosi 118 mH.

Rysunek 11. Schemat ścieżek płytki drukowanej

Fotografia 12. Nawijanie cewki elektromagnesu za pomocą wiertarki

Taką wartość uzyskaliśmy mierząc gotową cewkę. Wartość pojemności C kondensatora wynika z założonej częstotliwości rezonansowej, która z założenia miała mieścić się w granicach 50...100 kHz. Na podstawie obliczeń oraz wybierając pojemność z typoszeregu użyliśmy kondensatora stałego 47 nF. Przy tej pojemności częstotliwość rezonansowa wynosi około 70 kHz.

Uruchomienie i użytkowanie

Uruchomienie elektromagnesu nie wymagało specjalnych czynności regulacyjnych. Właściwe działanie funkcji lewitacji polegało jedynie na odpowiednim ustawieniu położenia wysokości lasera i czujników. Przeprowadzone próby lewitacji z użyciem kilku przedmiotów metalowych różniących się kształtem, wymiarami i ciężarem potwierdziły możliwość użycia dla celów demonstracji obiektów wykonanych ze stali. Najpewniej zawisają w powietrzu przedmioty, które są zaokrąglone w miejscu, gdzie oświetla je laser czujnika.

Zasilając cewkę napięciem o różnym kształcie (sinusoida, trójkąt i prostokąt) oraz wartości maksymalnej 10 V zaobserwowaliśmy, że najlepsze efekty uzyskuje się dla napięcia prostokątnego. Wtedy energia pola magnetycznego jest na tyle duża, że diody LED świecą w odległości aż 20 cm.

Robert Bieganek
Krzysztof Woźniak
Piotr Pawlak