作品名称电磁感应无接点充电

1、作品名称电磁感应无接点充电    科 别:物 理 科 组 别:国 中 组 作品名称:电磁感应-无接点 关 键 词: 电磁感应 , 无接点充电 , 电磁诱导 编 号:030114 学校名称: 台北市立仁爱国民中学 作者姓名: 吴宗哲,黄泰翰,罗乔岳 指导老师: 陈家顺,刘秀娟 1摘要: 本件作品主要是由目前最新颖的一种充电方式无接点充电出发.先了解其基本原理电磁感应,再应用此原理,使用可发出电磁波之装置,搭配感应线圈,产生感应电动势.之后并探讨各种变因对此装置输出之影响,设法找出其最佳情形,同时利用此原理寻找生活周遭之电磁波来源.最后,利用此装置之原理,实

2、际作出生活化之成品,与传统发电方式加以比较,再思考此种发电方式之优缺点与未来发展应用方向,对此装置加以改进. 二,研究动机: 有一天,看到弟弟把没电的电动牙刷放到充电座上,立即有源源不断的电流输入,这使我心中发出了偌大疑问:为何充一半径约二十公分的环型铝箔纸,观察有何变化. (3)原实验之改进:在圆筒中放入一小片铝箔,并在铝箔上放置湿卫生纸防止铝箔过热,使电磁炉感测器开启,持续释放电磁波. 图(三)-3.原实验装置 74.比较电磁炉,PHS充电器,电动牙刷充电装置之差异. 以"Data Studio"配合感测器"SW500","SW750&qu

3、ot;测量电磁 炉,PHS充电器及电动牙刷充电装置之电磁波频率,线圈产生 之感应电流频率等数值. 图(三)-4. (四)1.调整电磁炉金属感测器,以使其能持续释放电磁波. (1)在电磁炉内部装有一感应器,若感应到铁制物品才会持续 释放能量. (2)为了使实验容易进行,必须使感应器持续开启,第一种方 法为修改,拔除感应器,另一种则为置一不影响实验进行的 金属物品於电磁炉上: A.将电磁炉拆开,找出感应器,并将其拔除. B.将欲实验之线圈摆好后,置一铁锅於线圈上方并加入些许 8冷却水以防焦耳热过大.(最后采用之方案一,称"方案一") C.剪一片圆形铝箔纸,置於电磁炉中央,使感测

4、器开启,并在铝箔上洒水,放置浸湿的卫生纸(以防铝箔过热).(最后采用之方案二,以下称"方案二")来自铝箔飘浮实验之改良. 图(四)-1.方案一之基本装置 2.调整线圈匝数使电压至可用范围(如:110V)(利用法拉 第电磁感应定律). 实验过程(使用"方案一"): (1)先做一试验线圈(#33,19匝),并在两端接上一灯泡 (110V,5W),观察电灯是否发亮. (2)将前一步骤之灯泡改为(3V,5W),观察灯泡是否发亮. (3)再换上一(110V,60W)灯泡,观察之. (4)验证法拉第电磁感应定律(电压与感应线圈数成正比): A.作三线圈,半径为6cm

5、(0.5mm,10匝)(0.5mm,20匝)9(0.5mm,30匝). B.分别测量三线圈置於电磁炉上时产生之电压. C.作五个线圈(0.5mm,10匝)(0.5mm,20匝)(0.5mm,30匝)(0.5mm,40匝)(0.5mm,50匝),半径恰可套住电动牙刷充电座(由於电磁炉电流过强,二极体无法承受,只能用电动牙刷充电座来实验),并分别接上二极体. D.测量各线圈上之电流,电压. E.用0.5mm粗的漆包线绕出半径为11.25cm,7.5cm,6.1cm,3.5cm的线圈,并分别置於电磁炉上. F.测量各线圈两端之电压. 照片(一):验证感应电压随线圈匝数增加而上升之简易装置. (5)由

6、(4)之结果推算欲使输出电压为110V所需的匝数,并制作. 3.利用二极体或桥式整流器调整交,直流电.同时探讨影响无接点充10电之变因. 由於线圈产生之感应电流为交流电,欲推动某些使用直流电的电 器,需要"整流". 整流步骤: (1)将线圈一端接上二极体(1A). (2)用三用电表测量直流电电流. (3)探讨感应电流与匝数间的关系 4.探讨无接点充电之各种变因对其感应电压的影响. (1) 线圈与电磁炉之距离与感应电压的关系. 实验步骤(使用"方案二") A. 绕一半径6cm(0.5mm,25匝 )之线圈. B. 调整线圈与电磁炉之距离,由靠在电磁炉上(距

7、离0cm)起,依序放在距离1cm,2cm,3cm直到30cm为止,并以三用电表测量数据. 照片(二):线圈与电磁炉之距离与感应电压之关系 11(2)线圈与电磁炉夹角和输出电压关系之实验过程(使用方案二): A.做一25匝,半径为6cm的线圈. B.将线圈黏贴於一直尺上,以方便转动,并在一厚纸板上画上090度的刻度,垂直竖立於电磁炉上. C.以直尺的中线为轴,并使轴线通过厚纸板上刻度的原点,利用刻度调整线圈平面与电磁炉平面之夹角并以三用电表分别测量线圈两端的电压. 照片(三):线圈与电磁炉夹角和输出电压之关系 (3)半径大小与电压之关系: 线圈半径与可感应到之电磁炉电磁波电压值的关系,能藉此找出

8、最佳的线圈半径. 实验过程(使用"方案一"): 1.将直径0.5mm之漆包线分别作成半径1cm,2cm,3cm,1214cm之一匝线圈. 2.将线圈放於电磁炉上,用三用电表测量线圈两端之交流电压,并记录其电压值. 照片(四):线圈半径大小与感应电压之关系 (4)在线圈四周增加屏蔽是否能使电磁波传送损耗减低 实验步骤(使用"方案二"): A.用书面纸卷成圆筒状(半径为8cm),外层粘上铝箔纸,垂直竖立於电磁炉面上,作为屏蔽. B.将外圈铝箔纸剪开一小缝,防止涡电流产生. C.制作如下图之装置,以便能垂吊放入圆筒屏蔽中. D.分别测量线圈在不同高度时之电压.

9、 E.将屏蔽缩小,半径改为6cm,重做一次实验,并比 较结果. 13照片(五):"屏蔽"装置俯视 照片(六)-1:在线圈四周增加屏蔽是否能使电磁波传送损耗减低 14照片(六)-2:在线圈四周增加屏蔽是否能使电磁波传送损耗减低 (5)线圈在电磁炉上位置与输出电压之关系 实验步骤(使用"方案二"): A.测量电磁炉之中心点并做上标记. B.由中心点画出一条半径,并在距中心点1cm,2cm,3cm等位置标记. C.做一半径极小(<1cm)的线圈置於各标记上,分别测量与中心相距不同距离时之电压. 5. (1)尝试用此装置推动电器,并由此装置之输出功率,电压

10、,电流 , 并联六个插座的延长线接头,置於电磁炉上,并放上铁锅. 照片(七):尝试使用"无接点"装置推动电器 .将插座分别插上咖啡机(110V,60HZ,300W),灯泡( 110V,60W),手提收录音机(AC110V,60Hz/AC220V ,50Hz DC6V;6W),焊枪(110V,80W),三用电表 ,家用电扇,电铃(AC110V),检验成效,并监控并 联时单一插座的各项数值变化,并就结果加以讨论,改进. B.将二极体及桥式整流器换接不同匝数之线圈,以配合 不同电器所需电压. .分别将不同的线圈加上蜂鸣器(DC12V;DC24V) 和风扇(DC12V)同时以三用电

11、表监测输出电压大小, 就结果加以检讨,改进. 16(2)电器增加与改进: 原本使用"方案一"(使用铁锅)诱使电磁炉持续释放电磁波,过於笨重,故改用较简便的"方案二". 另外,先前之实验其线圈均贴近电磁炉表面,并未显露出无接点充电可远距离传输的特性,故此部份实验尝试将线圈远离电磁炉表面,同时设法将线圈与电器结合,增加实用性. A.汽车灯泡:先作一线圈焊上二极体,再接上车灯的正负两极,放於电磁炉上,检验是否能发出光亮. B.风扇:先作一线圈焊上二极体,再接上风扇之正负两极,放於电磁炉上,检验是否能转动. C.收音机:先作一线圈接上二极体,再接上收音机之正负两

12、极,放於电磁炉上,检验是否能发出声音. C. 发光二极体:先作一线圈焊上二极体,在接上发光二极体,放於电磁炉上,检验是否能发出光亮. (3) 充电器: A.将已做好的电磁波收集线圈代替电池充电器,以桥式整流器整流后接上充电电池,并联一发光二极体,通电一段时间.(装置如图【图中不含发光二极体,仅为充电装置】) 17图(四)-4.:无接点充电装置 照片(八):无接点充电装置成品 B.拔去充电装置,观察发光二极体继续发光情形. (4)角度造成之影响的改进: 做了角度的实验后,发现从不同方位,所感应到的电压大小不同,於是我们想到在球状物上绕上线圈,使每个方位的电压相等,以达到各个方位都能感应到电磁波.

13、 18A.先找一球状物在上面绕上线圈,两端接上三用电表. B.将绕好的线圈,放於电磁炉上,转动球状线圈,看看是否能从各方位感应到电磁波. 此实验发现,将线圈作成球状,的确能从各方面感应到电磁波,但因我们所作支线圈所绕密度不均,所以感应到的电压不均,如将线圈做到密度一样,则从各角度感应到的电磁波电压应相同. 6.无接点充电利用电磁波传送能量,日常生活中也处处充满电磁波.根据医学研究,电磁波可能增加致癌危险.在此藉电磁感应原理找寻生活中的电磁波来源: 制作数个感应线圈,接上二极体和三用电表(或接上Data Studio),分别置於电视机(或电脑萤幕)前,后方;吹风机旁;大哥大天线上各种电器附近,测

14、量线圈两端电压是否增强.(亦即,该电器有无明显电磁波释放) 图(四)-4. 19照片(九):测量电脑萤幕附近之电磁波 7.探讨"无接点充电"之实用性及用途,并以实验装置实作 生活化的成品. 见讨论及成品. 七,研究结果: (一)见文献探讨. (二)1.以任意线圈加上二极体,放在电动牙刷充电座上,并接於三用电表测得电压36V.再以相同线圈加二极体,放在PHS手机之充电座上测得电压42V . 2.(1)将电动牙刷本体(不是充电座)拆开后发现:下端有一线圈,刚好可套进充电座,而内部零件含充电电池. (2)PHS手机的充电座拆解,发现内部有一线圈缠绕著金属棒作为电磁波释放装置达成充

15、电用途,同时有些精密构造用来稳定电20压,电流,保护手机不至於损坏. 照片(十):PHS手机充电座之内部构造 (三)1. 经过观察,共找到了下列几种装置: (1)电磁炉. (2) 2. 见文献探讨. 3. (1)铝箔纸浮起约两公分后飘开,且若放在电磁炉上方过久,会因 焦耳热过大而发红燃烧. (2)铝箔纸沿纸杯持续飘起约三公分高,且若将 4.(见附表) (四)1.(1)试著将感应器拔除,经测试后不能使其不断的供应电磁波. (2)在电磁炉上置一金属物体:为了让它持续放出电磁波,想到放一金属物体在电磁炉上,於是拿了铁锅,里面加水,经过测试发现能持续放出电磁波,於是尔后的实验,便采用此种装置. 2.(

16、1)先作一线圈(19匝 半径6cm)两端接上一个110v60w的灯泡,放在电磁炉上再加上铁锅,开启电磁炉之电源后,灯泡发了亮光. (2)将(1)之相同线圈,接於另一个灯泡(3v5w),放在电磁炉上,加22上铁锅,开启电源后,灯泡发出强烈白光就烧坏了. (3)将(1)之相同线圈,接於另一个灯泡(110v60w),放在电磁炉上,加上铁锅,开启电源后,灯泡也发出了亮光,而且较五瓦的亮. (4) 表一:线圈匝数与电压之关系 线圈匝数 电压 10匝 46.5V 20匝 92.6V 30匝 132V 线圈匝数与电压之关系02040608010012014010匝20匝30匝ACV电压图表(一):线圈匝数与

17、电压之关系 照片(十一)-1:验证感应电压随线圈匝数增加而上升(5匝) 23照片(十一)-2:验证感应电压随线圈匝数增加而上升(15匝) 照片(十一)-3:验证感应电压随线圈匝数增加而上升(25匝) (5)由(4)之结果得知,电压与线圈匝数确实成正比关系. 计算: 10 * 110/46.5 = 1100/46.5 = 23.7(匝) 20 * 110/92.6 = 2200/92.6 = 23.8(匝) 30 * 110/132 = 3300/132 = 25(匝) (23.7 + 23.8 + 25) / 3 = 24.2(匝) 但由於实际测量一般插座供电电压多为112V115V间,为配

18、24合现实情况,便取25匝线圈作为我们的自制交流电源. 3. 线圈匝数 DCA 10匝 0.20A 20匝 0.27A 30匝 0.23A 40匝 0.24A 50匝 0.24A 表(二):线圈匝数与电流之关系 线圈匝数与电流之关系00.20.40.60.8110匝20匝30匝40匝50匝匝数ADCA图表(二):线圈匝数与电流之关系 由电流测量结果,发现电流几乎不变化.我们认为主因为: 由於电阻和导线长度(匝数)成正比关系,而电压亦和匝数成正比,由欧姆定律:I=V/R可得电流强度为一定值. 4.(1) 距离 0cm 1cm 2cm 3cm 4cm 5cm 6cm ACV 90.5V 58.3V

19、 44.8V 35.1V 26.4V 19.0V 15.4V距离 7cm 8cm 9cm 10cm 11cm 12cm 13cmACV 12.5V 10.2V 8.3V 6.8V 5.5V 4.5V 3.8V距离 14cm 15cm 16cm 17cm 18cm 19cm 20cmACV 3.1V 2.6V 2.3V 1.9V 1.6V 1.3V 1.1V距离 21cm 22cm 23cm 24cm 25cm 26cm 27cmACV10V08V07V06V05V04V0 35V25距离 28cm 29cm 30cmACV 0.3V 0.25V 0.2V表(三):线圈与电磁炉之距离对感应电压的

20、影响线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响01020304050607080901000481216202428距离(cm)感应电压(V)ACV图表(三):线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响 由表中可知: 距离越远,感应电压越小,但下降幅度却随距离而减少,因此我们认为感应电应是与距离平方成反比,但因电磁炉线圈与其外壳有一段距离,且有外壳阻隔,故无法以数据直接代入验算. (2) 夹角(度) 电压(V) 0 5.1 5 5.1 10 5.1 15 5.1 20 5.0 25 4.9 30 4.8 35 4.8 40 4.7 2645 4.6 50 4.6 55 4.5 60 4.5 65 4.4 70

21、 3.9 75 3.1 80 2.3 85 1.3 90 0.05 表(四):线圈与水平面之夹角对感应电压的影响 夹角与电压之关系0123456051015202530354045505560657075808590夹角(度)电压(V)电压图表(四):线圈与水平面之夹角对感应电压的影响 由表中可见: 在夹角较小时,感应电压并无显著改变,而夹角渐渐变大时,感应电压的下降幅度也随之越来越快.此现象可藉由下图(图五)说明: 在夹角尚很小时,由於感应线圈与电磁炉线圈有段距离,附近磁力线呈非均匀散布之曲线,因此当线圈往右上倾斜时,虽然线圈27右方磁力线通过数减少,但左下方通过的磁力线数又增加了,故电压并

22、无显著变化.但在线圈倾斜到某个程度时,线圈左右两边所通过的磁力线数均同时减少,故电压开始急速下降. 图(五):线圈与水平面之夹角对感应线圈的影响说明图 (3) 半径 ACV 1cm 0.1V 2cm 0.6V 3cm 1.6V 4cm 3.1V 5cm 4.1V 6cm 4.5V 7cm 4.2V 8cm 3.5V 9cm 2.3V 10cm 1.3V 11cm 0.7V 12cm 0.5V 13cm 0.4V 14cm 0.3V 表(五):线圈之半径对感应电压的影响 28线圈半径与感应电压之关系0123451234567891011121314半径(cm)ACV(V)ACV(V)图表(五):

23、线圈之半径对感应电压的影响 由图可知,在半径为6cm时,其电压值最大,而半径小於或大於6cm时,电压则越小.所以,用半径6cm左右的线圈感应电磁炉所发出的电磁波为最高效率.(原因请见讨论) (4) 距离 感应电压 0cm 76.7V 5cm 12.5V 10cm 8.2V 15cm 6.7V 20cm 5.1V 25cm 4.4V 30cm 3.3V 表(六):线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响(加上半径8cm之屏蔽) 29线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响(加上半径8cm之屏蔽)020406080100051015202530距离(cm)感应电压(V)感应电压图表(六):线圈与电磁炉之距离对

24、感应电压的影响(加上半径8cm之屏蔽) (4)E. 距离 感应电压 0cm 72.1V 5cm 14.5V 10cm 11.7V 15cm 8.1V 20cm 6.4V 25cm 4.9V 30cm 3.5V 表(七):线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响(加上半径6cm之屏蔽) 线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响(加上半径6cm之屏蔽)020406080051015202530距离(cm)感应电压(V)感应电压图表(七):线圈与电磁炉之距离对感应电压的影响(加上半径6cm之屏蔽) 由图表(六),(七)可知,铝箔屏蔽的确可达到反射电磁波,增强远距离线30圈所产生之感应电压的效果,且铝箔屏蔽半径较

25、小,即与感应线圈靠得较紧密时,增强的效果较佳. (5) 与中心距离 感应电压 0cm 1.9V 1cm 1.6V 2cm 1.9V 3cm 2.0V 4cm 2.4V 5cm 2.1V 6cm 0.8V 7cm 0.0V 8cm 0.1V 9cm 0.2V 表(八):线圈与电磁炉中心之距离对感应电压的影响 图表(八):线圈与电磁炉中心之距离对感应电压的影响 由表中可见: 线圈在靠电磁炉中心较近时,感应电压较高(但最中心因有铝箔造线圈与电磁炉中心之距离对感应电压的影响00.511.522.530123456789cmACVACV31成损耗,其值稍稍降低),而在较外侧时,感应电压普遍较低,而在电磁

26、炉本身线圈的边缘处(约7,8cm左右),电压甚至低至几乎为0.此现象可以图(七)说明:电磁炉线圈内侧的磁力线较密集,外侧的磁力线较分散,故内侧的感应电压较强.而在电磁炉线圈边缘处之感应线圈,恰好让整圈磁力线通过,由上至下及由下至上的磁力线数大致相等,故磁力线变化数几乎为零,故感应电压也接近0. 图(六):线圈与电磁炉中心之距离对感应线圈的影响说明图 5. (1)A.将各种要测试的东西加上插头,以110V的线圈测试有哪些可运作,结果可行的有:60W灯泡,泡咖啡机,焊枪,手提收录音机,三用电表. 32照片(十二):使用"无接点"装置成功推动电器 影片二-以无接点装置推动手提收音

27、机(可点选播放或由附件资料夹点选) (2)将各种要测试的东西加上二极体和插头,以所需的电压配合线圈测试有哪些可运作,结果可运作的器材有:蜂鸣器,风扇(DC12V). 33照片(十三)-1:以"无接点"装置成功推动蜂鸣器(以二极体整流) 照片(十三)-2:以"无接点"装置成功推动风扇(以二极体整流) (3)此自制充电装置确实可达到充电效果,且所费时间不长. (4)A.汽车车灯在一定距离内可正常发亮,而且距离越近光度越亮. B.在一定距离之内,风扇仍可转动,但距离越远,速度越慢. C.当收音机靠近到一定距离内时,便开始运作,且距离越近,音量越大,但当距离过近

28、时,会因电磁波干扰而收讯不良. D.当线圈逐渐接近电磁炉,发光二极体也逐渐亮起. 34影片三-以无接点装置远距离推动风扇(可点选播放或由附件资料夹点选) 影片四-以无接点装置远距离推动携带型收音机(可点选播放或由附件资料夹点选) 图(十四)-1: 以"无接点"装置远距离推动发光二极体(较近距离) 35图(十四)-2: 以"无接点"装置远距离推动发光二极体(较远距离或由附件资料夹点选) 影片五-以无接点装置远距离使警报器发声(可点选播放或由附件资料夹点选) 6. 置放位置 电压变化 电脑萤幕前方 变化大 电脑萤幕前方(加护目镜) 其值大幅缩小 电脑萤幕后方

29、 变化大,其值比萤幕前方大 电视机前方 约0.5DCV 电视机后方 约0.6DCV 吹风机旁 极小,DCV约在0至0.02间跳大哥大天线(拨打中) 几乎无变化 大哥大天线(通话中)几乎无变化36表(九):以无接点充电装置测量常见电器之电磁波的电压变化情形 八,讨论: (一)为何部份电器虽然电压相符,却无法 因为这些电器的驱动与交流电的频率有关,一般家用交流电的频率约为60Hz,而由电磁波所产生感应电流的频率高达1000Hz以上(约1200Hz),差异过大而无法驱动. 兹举一例说明电铃(使用交流电): 电铃主要构造为一电磁铁,钟罩,簧片和棒槌.当交流电通过时,由於电流方向以60Hz的频率不断改变,使得电磁铁