Механизм движения поезда на магнитах и батарейке | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 марта, печатный экземпляр отправим 10 марта.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №30 (320) июль 2020 г.

Дата публикации: 26.07.2020

Статья просмотрена: 313 раз

Библиографическое описание:

Васильев, Д. В. Механизм движения поезда на магнитах и батарейке / Д. В. Васильев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 30 (320). — С. 22-27. — URL: https://moluch.ru/archive/320/72853/ (дата обращения: 26.02.2021).



В данной статье описывается причина движения поезда, состоящего из двух неодимовых магнитов и пальчиковой батарейки и погруженного в виток плотно намотанной проволоки, а также теоретически находится сила тяги и ее зависимость от характеристик такого поезда. Данный механизм вы можете увидеть в соответствующих роликах в интернете или собрать сами.

Ключевые слова: магнит, силовая линия, индукция магнитного поля, катушка (соленоид)

Введение

Если у вас под рукой окажется моток медной проволоки, обыкновенная пальчиковая батарейка и вместе с ними два неодимовых магнита, вы будете в состоянии изготовить занимательную установку. Присоединив с двух сторон к батарейке магниты и поместив все это в виток проволоки, вы увидите, что батарейка придет в движение. В своем исследовании я решил описать механизм движения такого поезда, теоретически разобраться в факторах, влияющих на его силу тяги. В ходе работы не проводилось экспериментов, способных эмпирически подтвердить полученные закономерности. С предыдущими работами, посвящёнными данной тематике, автор не знаком.

Основная часть

Начнем с описания причин движения: главной причиной движения является то, что материал, из которого изготовлены магниты — проводник. В результате, по всем виткам, заключенным между местами контакта магнита и проволоки (точки А и Б на рис.), начинает течь ток. Между ними образуется катушка.

Рассмотрим подробнее магнитное поле такой катушки. В рамках данной модели, проволока намотано плотно, значит поле внутри нее можно считать однородным. Но за пределами точек А и Б ток не течет, следовательно там поле перестает быть однородным, силовые линии расходятся, а индукция магнитного поля убывает.

Именно расхождение линий индукции поля вне катушки является причиной возникновения силы тяги, направленной вдоль оси симметрии катушки. Подробнее на этом остановимся позже. Таким образом, магнитное поле выталкивает из катушки передний магнит, а задний наоборот втягивает в нее. Наш поезд доезжает до следующего витка, происходит новый контакт магнита и витков, возникает новая катушка. Если предположить, что поезд движется быстро, то есть время, за которое магнит “переподключается” к проволоке мало, можно считать, что на него действует постоянная сила тяги.

Найдем ее значение. Пусть индукция магнитного поля на оси симметрии катушки определяется выражением:

(1)

Где:

- магнитная постоянная

N — количество витков между точками А и Б

L — расстояние между точками А и Б

I — ток, протекающий в катушке

R — радиус витков

x — расстояние до рассматриваемой точки, причем, x 0 вне соленоида, x < 0 внутри соленоида

Выясним, какой ток I протекает по виткам. Будем считать индуктивность катушки крайне малой. Здесь возможно два случая:

1) Проволока не замкнута в круг, тогда ток течет строго внутри участка АБ, и его значение:

Где:

E — ЭДС батарейки

— сопротивление участка АБ

Где:

— сопротивление одного метра взятой проволоки

Окончательно получаем:

(2)

2) Проволока замкнута в круг, тогда мы рассматриваем случаи, когда длина внешней части проволоки много больше L, значит ее сопротивление много больше , и током по внешнему участку можно пренебречь.

Вернемся к уравнению (1). Так как в нашей модели проволока намотана плотно, но в ней имеется расстояние между витками, воспользуемся допущением, что x < и . Значит пренебрежимо малая величина по сравнению с . С учетом этого перепишем (1) в виде:

(3)

Рассмотрим малый цилиндрический объем высотой dx радиусом R за пределами катушки:

Тогда зная, что магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю, получим:

+ d

Или

(4)

Где:

- проекция на ось x

- проекция на ось y

Тогда, продифференцировав (3) и подставив результат в (4), получим зависимость от x :

(5)

Теперь, зная эту зависимость, мы можем определить силу, действующую на магнит. Для этого мысленно представим вместо магнита катушку длинной a , радиусом r и индукцией у торцов. Все эти характеристики такие же, как и у магнита. Применим (1) для этой катушки:

Или

(6)

Где:

k — частота намотки (

i — ток текущий в этой катушке

Пусть наш магнит выдвинулся за пределы катушки на расстояние dx , значит там же оказалось витков.

На каждый виток действует сила ампера и в сумме на все витки действует сила:

C учетом (2), (6) и (5):

Где:

s — расстояние между соседними витками

Таким образом, искомая сила равна:

Но, как уже говорилось, магнитное поле выталкивает один магнит и вталкивает другой. Эти два процесса абсолютно симметричны, а значит, сила тяги поезда равна:

Или

Выводы

Анализ данного уравнения показывает, что сила тяги прямо пропорциональна ЭДС батарейки и индукции у торцов магнитов, а также она обратно пропорциональна удельному сопротивлению проволоки и сложным образом зависит от геометрии обмотки и магнитов. Причиной возникновения силы тяги является расхождение силовых линий магнитного поля, создаваемого током в обмотке.

Заключение

Вопрос анализа зависимости силы тяги от всех геометрических свойств данной установки остается открытым.

Литература:

  1. Ландсберг, Г. С. Элементарный учебник физики. 2 том электричество и магнетизм / Г. С. Ландсберг. — 16-еизд. — Москва: Физматлит, 2017. — 487 c. — Текст: непосредственный.
  2. Зельдович, Я. Б. Высшая математика для начинающих / Я. Б. Зельдович. — 7-е изд. — Москва: Физматлит, 2017. — 518 c. — Текст: непосредственный.
  3. Изучение магнитного поля соленоида. — Текст: электронный // gorbatyi.ru: [сайт]. — URL: (дата обращения: 23.07.2020).
Основные термины (генерируются автоматически): магнитное поле, виток, магнит, сила тяги, катушка, индукция, контакт магнита, ось симметрии катушки, предел катушки, причина возникновения силы тяги.


Ключевые слова

, магнит

Похожие статьи

Электромагнитное оружие | Статья в журнале «Молодой ученый»

магнит, постоянная, подшипник, генератор, коэрцитивная сила, магнитное поле, магнитный поток, остаточная индукция, магнитное притяжение. Отклонение магнитной стрелки около проводника с током и отклонение проводника с током в магнитном поле имеют одну причину...

Использование магнитных подвесов в ветроэнергетических...

Технология магнитных подвесов основывается на достижениях в области электромагнетизма, обработки сигналов, статики и динами и развивалась вмести с ними.

Магнитное поле – управляемо. Система контролирует положение ротора и регулирует его подвеску.

Трансформатор тока в магнитном поле | Статья в журнале...

В качестве источника магнитного поля использовался неодимовый магнит с силой сцепления 100 кг. Он подносился к трансформатору тока

Как было показано выше, при малой индукции внешнего магнитного поля (расстоянии до магнита 23–23 мм и больше) магнитопровод не...

Обзор электроракетных двигателей холловского типа с магнитной...

Магнитное поле создается кольцевыми магнитами на периферии и далее с помощью магнитопровода создается необходимая конфигурация и индукция поля в разрядном промежутке. Это также является важным моментом с точки зрения охлаждения магнитов.

Разработка генератора постоянного тока на неодимовых магнитах...

Хоть и коэрцитивная сила магнитов системы ЮНДК значительно меньше ферритов, магнитная энергия их выше и произведение (ВН)макс

Основные термины (генерируются автоматически): магнит, постоянная, подшипник, генератор, коэрцитивная сила, магнитное поле, магнитный...

Конспект урока физики на тему "Индукция магнитного поля..."

Цель урока: ввести понятие индукции магнитного поля как физической величины

а) формирование представлений об отличиях магнитных полей, организация усвоения основных понятий по

Обучающиеся самостоятельно (но при возникновении такой необходимости, под...

Цепно-полевой подход к анализу переходных процессов в системе...

Для решения задачи нестационарного магнитного поля системы катушка индуктора

Внутренний диаметр катушки индуктора, мм. 145. Геометрические параметры витка, мм.

При этом магнитное поле создается постоянным Co-Sm магнитом, а индукция поля в канале...

Энергетическая установка на постоянных магнитах

В качестве источника магнитного поля использовался неодимовый магнит с силой

Работа ТТ вмагнитном поле. При воздействии на ТТ внешнего постоянного магнитного поля.

Также равновесие магнитного поля двух размещенных противоположно оси вращения постоянных...

Модернизация электромагнитного запорного клапана

Тяговое усилие передаётся на запорный орган через якорь тягового электромагнита. Известен электромагнитный привод клапана «Описание

Недостатками данного устройства являются большие потери тягового усилия на якоре за счёт снижения магнитного потенциала в зазоре...

Использование магнитных подвесов при проектировании ВЭУ...

Описываются преимущества магнитных подвесов в проектировании и их характеристика.

В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но они требуют системы подачи

Впервые вероятность сконцентрировать магнитное поле с одной стороны магнита обосновал...

Похожие статьи

Электромагнитное оружие | Статья в журнале «Молодой ученый»

магнит, постоянная, подшипник, генератор, коэрцитивная сила, магнитное поле, магнитный поток, остаточная индукция, магнитное притяжение. Отклонение магнитной стрелки около проводника с током и отклонение проводника с током в магнитном поле имеют одну причину...

Использование магнитных подвесов в ветроэнергетических...

Технология магнитных подвесов основывается на достижениях в области электромагнетизма, обработки сигналов, статики и динами и развивалась вмести с ними.

Магнитное поле – управляемо. Система контролирует положение ротора и регулирует его подвеску.

Трансформатор тока в магнитном поле | Статья в журнале...

В качестве источника магнитного поля использовался неодимовый магнит с силой сцепления 100 кг. Он подносился к трансформатору тока

Как было показано выше, при малой индукции внешнего магнитного поля (расстоянии до магнита 23–23 мм и больше) магнитопровод не...

Обзор электроракетных двигателей холловского типа с магнитной...

Магнитное поле создается кольцевыми магнитами на периферии и далее с помощью магнитопровода создается необходимая конфигурация и индукция поля в разрядном промежутке. Это также является важным моментом с точки зрения охлаждения магнитов.

Разработка генератора постоянного тока на неодимовых магнитах...

Хоть и коэрцитивная сила магнитов системы ЮНДК значительно меньше ферритов, магнитная энергия их выше и произведение (ВН)макс

Основные термины (генерируются автоматически): магнит, постоянная, подшипник, генератор, коэрцитивная сила, магнитное поле, магнитный...

Конспект урока физики на тему "Индукция магнитного поля..."

Цель урока: ввести понятие индукции магнитного поля как физической величины

а) формирование представлений об отличиях магнитных полей, организация усвоения основных понятий по

Обучающиеся самостоятельно (но при возникновении такой необходимости, под...

Цепно-полевой подход к анализу переходных процессов в системе...

Для решения задачи нестационарного магнитного поля системы катушка индуктора

Внутренний диаметр катушки индуктора, мм. 145. Геометрические параметры витка, мм.

При этом магнитное поле создается постоянным Co-Sm магнитом, а индукция поля в канале...

Энергетическая установка на постоянных магнитах

В качестве источника магнитного поля использовался неодимовый магнит с силой

Работа ТТ вмагнитном поле. При воздействии на ТТ внешнего постоянного магнитного поля.

Также равновесие магнитного поля двух размещенных противоположно оси вращения постоянных...

Модернизация электромагнитного запорного клапана

Тяговое усилие передаётся на запорный орган через якорь тягового электромагнита. Известен электромагнитный привод клапана «Описание

Недостатками данного устройства являются большие потери тягового усилия на якоре за счёт снижения магнитного потенциала в зазоре...

Использование магнитных подвесов при проектировании ВЭУ...

Описываются преимущества магнитных подвесов в проектировании и их характеристика.

В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но они требуют системы подачи

Впервые вероятность сконцентрировать магнитное поле с одной стороны магнита обосновал...

Задать вопрос