青少年科技创新大赛范文.doc

目录
一． 发现问题…………………………………………………………………………………
二．研究思路…………………………………………………………………………………
2.1资料……………………………………………………………………………………
2.2思路方框图……………………………………………………………………………
三．研究过程…………………………………………………………………………………
3.1资料……………………………………………………………………………………
3.3设计实验………………………………………………………………………………
3.4实验启发………………………………………………………………………………
3.5实际应用………………………………………………………………………………
3.6购买相关材料…………………………………………………………………………
四．加工制作过程……………………………………………………………………………
五．设计实验…………………………………………………………………………………
六．运用研究方法……………………………………………………………………………
6.1科学原理………………………………………………………………………………
6.2科学方法………………………………………………………………………………
七．创新点……………………………………………………………………………………
八．成品优缺点………………………………………………………………………………
8.1优点……………………………………………………………………………………
8.2缺点……………………………………………………………………………………
8.3需要改进方面…………………………………………………………………………
九．感想和收获………………………………………………………………………………
参考文献………………………………………………………………………………………
附件……………………………………………………………………………………………

互感磁生电充电装置
宋仕荣
一． 发现问题：
我知道通电导线周围存在磁场，伴随着工业现代化的发展，大型输变电设备的广泛应用电场、磁场对环境的污染越来越严重，且电场、磁场对人也有一定量的危害。据有关资料得知，长期在电场、磁场工作的人群，会出现头痛、记忆力减退、扰乱人体正常磁场因为生物体生理活动能产生微弱的生物磁场。（摘自：百度搜索
）许多生物受外界磁场影响影响而改变生长情况，生命活动和行为习性等。（摘自：《全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理第二册》人民教育出版社物理室编）磁场也是一种能量，那么就可以将这种能量转化为可利用的能量，何必让它白白流失浪费，而且现在提倡节能减排，节约资源。为了解决这个问题而设计制作了互感磁生电充电装置。
二． 研究思路：
2.1日常生活中使用的是交流电压，能产生交变的磁场，将闭合的线圈放入这种交变磁场中能感应出感应电动势，从而行成电压与电流。而且金属具有屏蔽磁场的作用，利用这些资料进行思考。（资料来自：百度百科）
2.2思路方框图如下:

屏蔽
↓
磁场能
→
电能
→
储存电能
→
逆变
→
用于照明
↓
给其它设备充电
→
三． 研究过程：
3.1在了解磁场的危害后，开始对它的利用屏蔽产生了兴趣，请教相关老师进行讨论，得出它具有实现的可能性。进行思考，在互感电流计的启发下，想到了利用导线磁场的方法，但下一个问题就来了，怎样屏蔽磁场呢？在老师的指导帮助下，找到了相关资料。发现金属对磁场用屏蔽作用。找到解决方法后进行思考，怎样得到更高的电压与电流呢？想到物理中电源常用串联和并联的方法提高电压与电流，所以要想提高电压与电流就应该把多个线圈并联或串联，整理思路。画出草图，把自己的想法和设计好的草图与老师进行讨论。
3.2设计实验：
实验目的：验证设想是否成立，能否产生有效地电压与电流，证明方案的可行性。
材料：坏的互感电流计（取其有用的部分）、数字万能表、整流二极管（1N4007）、LED、用电器（电磁炉）、等相关物品，实验图如下：
整流器
负载（LED）
互感器
用电器

万能表

实验记录：
市电压（~）
用电器功率（W）
输出交流电压（~）
输出直流电压（—）
电流（µA）
206
800
2.6
2.53
700
206
1200
2.2
3.05
800
206
1500
3．6
3.75
900
206
1800
3.5
3.25
1060
206
2000
4.4
4.43
1290
3.3实验总结：
实验现象：①发现用电器的功率在1000W以上时，LED开始微微发光。功率增大LED也逐渐变亮。②万能表上显示出的电压与电流也随功率的增大而变大。
实验证明：此装置在一定功率下能达到有效电压与电流，该装置具有可行性。
3.4实验启发：该互感器与变压器相同之处，也有不同之处。相同点：都是利用电磁感应原理。不同点：变压器将电能转化为磁能再将磁能转化为电能，变压器产生的磁能大小与用电器有一定的关系，随用电器的功率的改变而改变。该互感器是将导线以产生的磁能转化为电能的过程。当用电器的功率一定时，导线的电流恒定，所以导线将电能转化为磁能过程中，是以恒定的能量将磁能释放出去。尽管不使用这些磁能，它还是会以这种恒定的能量释放磁能。如果安装这种互感器，将这种恒定的磁能吸收转化为电能，该电能与释放的能量相等（根据能量守恒定理），不会应为负载功率的改变而改变。说明：该互感器不会增加导线上的电能消耗。
（﹡注：以上的设想均在理想状态下）
证明以上设想：假设该互感器要增加导线消耗电能，那么在互感器的负载的功率增大时，µ会使导线的中流过的电流增大，来维持负载的功率需求。
设用电器的总功率为2200W，市电压为220V，互感器副线圈匝数为1000匝。铜丝的横截面积为0.5㎜²，铜线的电阻率为1.7×10-8欧·米。（理想状态）
导线中的电流为根据P=UI→I=P∕U=2200W∕220V=10A
已知ρ铜=1.7×10-8欧·米。S铜=0.5㎜²。设互感器与导线接触长度为L=0.01m
∴这节导线的电阻为R=ρL∕S
→1.7×10-8O欧·米×0.01m∕0.5×10-6㎡=0.034×10-²
这节导线两端的电压为U=IR=10A×0.034×10-²欧=0.34×10-²V
根据变压器公式：U1∕U2=N1∕N2设N2为1000匝，N1为1∕4匝
0.34×10-²V∕U2=1∕4∕1000→U2=13.6V
∵N1∕N2=I2∕I1→I2=250µA
设负载为10V0.04W→I=P/U=0.04W/10V=0.004A
I＞I2,负载不能正常发光与实验现象相同。与假设相反
（由于学校缺少精密的实验器材没有做出该实验）
3.5实际应用：
假设一个小型加工厂的能耗功率为13KW,每天机器工作12h能产生大量的磁场，该工厂的照明功率为3000W，设工业电价为1.5元∕度。一个大型该的互感装置为15V2A价格在五百元之内，购买一台3000W逆变器DC12-AC220价格为九百元，12V30AH铅蓄电池为26元，设一年中夜间平均照明时间为4h。
照明用电量P=W∕T→W=PT=3KW×4h=12KW.h=12度
设一年为365天。全年的电费为1.5×365×12=6570元
购买器件总费用为500+900+260=1660元
所以第一年除购买器件价钱可节约费用为6570－1660=4910元
在正确使用的情况下。此装置寿命设为5年。（除人为的损坏自然灾害等外）
所以在五年内可节约6570×4+4910=31190元
3.6.购买相关材料：目录如下
材料（名称）
数量（个）
型号（规格）
价格（元）
三端稳压管
1
7805
0.5
整流二极管
33
1N4007
1.65
电解电容
1
16V1000µF
0.25
电解电容
2
16V1µF
0.25
钢管
1∕2
30㎝
10
铜线

20
其他

3
总费用为（含加工费）：47.5元
四．加工制作过程：
钢管送去机械加工厂加工。（加工图如下）
主视图
侧视图

制作电源电路（图如下） 原理方框图如下：

整流器
滤波器
稳压器
稳压输出

整流电路的性能参数：
       整流电路中既有交流量，又有直流量。一般表示为：
       1.(交流)输入---用有效值或最大值，V2；
       2.(直流)输出---用平均值，VO（AV）、IO（AV）；
       3.二极管正向电流---用平均值，ID（AV）；
       4.二极管反向电压---用最大值，VＲＭ。  
电路名称
VO（AV）/V2
S
VO（AV）/V2
VO（AV）/V2
单相半波
0.45
1.57
1
1.414
单相桥式
0.90
0.67
1∕2
1.414

采用桥式整流电路与半波整流相比，桥式整流电路在输入电压，用电器相同时输出的电流提高一倍。而且电流脉动小。
.滤波原理：
　　利用储能元件电容器 C 两端的电压（或通过电感器 L 的电流）不能突变的性质，把电容 C（或 L） 与整流电路的负载 RL 并联（或串联），就可以滤掉整流电路输出的交流成分，提高直流成分，减小电路的脉动系数，改善电路的性能采用电容滤波特点:使电压脉动减小，适合小电流。
稳压器功能：使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电压和负载的变化而变化，采用三端稳压集成电路：具有体积小，成本低，使用方便等优点。
将加工好的钢管绕铜丝各1000匝，阻值为24欧。印制板制作，元器件安装焊接，制成成品。
五．设计实验：
材料：成品互感磁生电充电装置、用电器（电磁炉）、数字万能表等相关材料。
实验目的：验证该装置的效果实验图如下：

市电压
用电器功率（W）
输出交流电压（~）
输出直流电压（—）
电流（µA）

800

1200

1500

1800

2000

实验总结：
六.运用研究方法：
6.1科学原理：①互感器原理、电磁感应原理，将导线周围的磁能，通过金属在金属中形成涡流，形成闭合磁通，使的线圈产生感应电动势，形成电压与电流。②相关电子技术：运用整流二极管组成的桥式整流电路，将交流转化为直流电压，然后用电解电容进行滤波，在经过三端稳压管稳压输出平滑的直流电压。用于充电等。印制板制作和元器件的焊接。
6.2科学方法：①幻想法②组合法③原型启发法④逻辑推理法⑤实验法
七.创新点：
首次开发了电磁的屏蔽利用装置。
首次提出提出互感器不会增加导线消耗电能的想法。
八.成品优缺点：
8.1优点：①采用螺栓连接结构简单，省力快开。②可节约电能、屏蔽磁场、具有一定的实用性。
8.2缺点：①制作成本相对较高。②使用钢做铁芯导磁率较低效果怎么好。③质量重有1.3Kg④设计有缺陷的地方。⑤有一定的危险性（﹡注：禁止开路）。
8.3需要改进的方面：如果使用硅钢片叠成效果会更好。合理的设计与制作。
九．感想和收获：
从开始关注互感磁生电充电装置，就付出了很多很多的努力，也收获了很多。一旦着手开始设计，就发现需要面对大量从未见过的电子知识以及许多从未听过的电子元器件和设计软件，还发现自己知识的不充足，遇到的困难比我想象中的大得多。我坚持从基础知识开始，一点点的积累项目说需要的知识，并动手制作一些简单的电子电路，了解相关软件，并建立了对项目的信心。虽然遇到很多困难。但经过老师的悉心指导，还有自己的努力问题基本上都解决了。
现在仔细想想我学到了相关的电子知识，懂得了一些电子元器件的联系以及工作原理，认识了许多不认识的电子元器件。学会了AutoCAD和EWB等软件的简单应用。大大提高了自己的思维和动手能力，对今后会有很大帮助。
参考文献
《全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理第二册》人民教育出版社物理室编
《读图速学电子元器件与典型实用电路》中国电力出版社，2009年1月第一版
《全国高职高专电气类精品规划教材电能计量》中国水利出版社，2004年8月第一版
《职业技能鉴定教材电工（初级、中级、高级）》中国劳动社会保障出版社2005年一月北京第20次印刷
《电子技术基础》华中理工大学电子学教研室编，康华光主编．电子技术基础（模拟部分）．第四版．北京：高等教育出版社，１９９９
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