Авторская программа факультативного курса по физике "Физические самоделки"

ПОКОРЕНИЕ НЕВИДИМОГО, НЕСЛЫШИМОГО, НЕВЕСОМОГО  РАЗДЕЛ 5 Занятие 5.1 Электрофор Электрофор — прибор, который поможет накопить заряды в большем  количестве, чем наэлектризованные стеклянная или эбонитовая палочки. Как видно из рисунка, электрофор имеет два диска. Нижний диск — из  изолятора. Его можно сделать, отрезав верх у широкой банки из­под  консервов. Лучше подыскать банку диаметром 160— 180 мм. В очищенную до блеска плоскую банку надо насыпать раздробленной канифоли и воска.  Канифоли надо взять девять весовых частей, а воска — одну весовую часть.  Смесь следует размешать, уложить в банку и слегка подогреть на слабом огне. После расплавления смеси снимите банку с плитки, поставьте на ровный стол. Застыв, смесь даст гладкую горизонтальную поверхность. Если при  остывании на поверхности появятся воздушные пузырьки, проколите их  иглой. Сохнуть (затвердевать) смесь должна несколько дней. Можно выпилить диск и из эбонита. Верхний диск представляет собой массивный металлический диск с  ручкой. Его надо тщательно отшлифовать со всех сторон и аккуратно  закруглить края. В центре металлического диска, диаметр которого немного  меньше, чем диаметр банки со смесью, припаяйте латунную трубку. На  трубку наденьте ручку из пластмассы или древесины, пропитанной  парафином. Если не сможете достать металлический диск, то выпилите из толстой  фанеры такой же диск и тщательно оклейте его фольгой. Проследите, чтобы  листы ложились ровно, без складок — это очень важно. Наш прибор готов.  Наэлектризуем посредством трения шерстяной материей или куском меха банку с канифолью или эбонитовый диск. Поместим на нее металлический  диск. Так как канифоль плохо проводит электричество,  заряды с  нижнего   диска на металлический практически не перейдут. Вследствие электризации  через влияние на нижней поверхности металлического диска появится  положительный заряд, на верхней — отрицательный. Коснемся рукой внешней поверхности металлического диска.  Отрицательный заряд «уйдет в землю», а положительный останется, так как  он притягивается к отрицательному заряду нижнего диска. Находясь на  малом расстоянии, они уничтожают действие друг друга в окружающем  пространстве. Удалим теперь металлический диск от банки с канифолью. Оставшийся  на металлическом диске положительный заряд можно передать какому­либо  проводнику. Подобную операцию можно повторять большое число раз, пока  нижний диск не разрядится через воздух. Занятие 5.2 Копилка зарядов У каждого юного техника, сделавшего электрофор, несомненно,  возникает вопрос: нельзя ли электрические заряды, снятые с железного круга  электрофора, собрать и накопить этих зарядов побольше? Такой прибор — копилка электрических зарядов — есть: Называется он конденсатором. Простейший конденсатор делают в виде так называемой  лейденской банки. Сделайте такую копилку электрических зарядов. Возьмите широкую стеклянную банку или стакан с плоским дном,  оклейте листами фольги стенки банки с внешней и внутренней стороны до 2/3  ее высоты (см. рис. 5.2.1). Заметьте: листы фольги не должны иметь, складок. Когда клей подсохнет, сделайте крышку для конденсатора. Она состоит из  двух фанерных кружков, склеенных вместе. Через центры кружков пропустите медный стержень. На верх стержня  насадите деревянный шарик, оклеенный фольгой; к нижней части стержня  прикрепите метелку из тонких проволочек или елочной канители. Устройство прибора ясно из рисунков. Чтобы наполнить наш прибор запасом электрических зарядов,  заряжайте круг электрофона и прикасайтесь его краем к шарику банки. Заряженную банку следует разряжать только при помощи разрядника.  Как сделать разрядник, хорошо видно из рис. 5.2.2; там же показано, как им  пользоваться. Не забудьте, что ручка разрядника делается из изоляционного  материала (стеклянной трубки или оргстекла). Занятие 5.3 Самодельный гальванический элемент Электризация трением и электризация через влияние не являются  единственными способами заряжения тел. Познакомимся с получением  зарядов с помощью гальванического элемента. Возьмите обыкновенный стакан, налейте в него кипяченой воды и  растворите одну­две чайные ложки хлористого аммония. В полученный  раствор аммиака опустите пластинку или палочку угля и пластинку цинка  (см. рис. 5.3.1). Между углем и цинковой пластинкой поместите изолятор — небольшой флакон. Все это стяните двумя лентами резины. На верхнюю часть цинковой и угольной пластин наденьте медные обжимки. Если теперь отвести от них две  медные проволочки и присоединить их концы к лампочке от карманного  фонаря, она вспыхнет довольно ярким светом. Помните только, что если проволочки не имеют изоляции, то они не должны между собой  соприкасаться. Концы проводков всегда зачищаются. Конечно, наш самодельный элемент не годится для продолжительных  опытов и ток, который он дает, слишком слаб. Так из наблюдений за действием водного раствора аммиака на уголь и  металл (в нашем элементе — цинк) сделали вывод: химическое воздействие  раствора на цинк приводит к возникновению электрического тока в замкнутой цепи. Цинк при этом служит отрицательным полюсом, уголь —  положительным. Отметим, что в качестве положительного электрода можно  взять и такой металл, как медь. Если цинковый и медный электроды поместить в раствор серной  кислоты, то получится гальванический элемент, известный как «элемент  Вольта».  Занятие 5.4 Пробник юного электротехника Устройство маленького пробника, необходимого для определения  обрыва провода в электрической цепи, показано на рис. 5.4.1. В патроне, укрепленном на небольшой дощечке, установлена  контрольная лампочка. Провода пробника имеют на концах медные штырьки.  На рисунке изображена и катушка с проводом, в которой предполагается  обрыв. Прикоснувшись штырьком к выводам катушки, можно выяснить, цела  ли ее обмотка. Лампочка загорится в том случае, если нет обрыва. Занятие 5.5 Монтаж патрона для настольной лампы Итак, вы научились изготавливать самодельные патроны для  низковольтных лампочек. Покажем теперь, как смонтировать покупной  патрон для больших ламп на 25, 40, 50 вт. Заметим вначале, что монтаж и ремонт бытовых приборов, включаемых  в осветительную сеть, требует обязательного участия взрослого, знакомого с  техникой безопасности. Прежде всего научитесь заделывать концы проводов петелькой. На рис.  5.5.1 показано, как это делается. Если провода гибкие (в этом случае они  состоят из нескольких тоненьких проволочек), то перед подсоединением их  необходимо залудить. Заготовив два провода, развинтите все части патрона (см. рис. 5.5.2).  Затем введите в патрон эти провода и закрепите их там. Проследите, чтобы  обнаженные части проводов не касались друг друга, тщательно заделайте их  изоляционной лентой. Проделав все это, но еще не собирая патрона, покажите взрослым, так ли вы все сделали. Затем на противоположном конце провода заправьте штепсельную  вилку. Как сделать это, показано на том же рисунке. Изоляционную ленту  берите свежую, клейкую и, обматывая ею оголенный провод, не навертывайте  много слоев. Лучше небольшим куском ленты изолировать в один слой, но  тщательно и аккуратно, следя за тем, чтобы изоляция доходила до самой  клеммы. Проверив заправку штепсельной вилки вместе со взрослыми, соберите  ее, как показано на рис. 5.5.3. После этого вверните в патрон лампу. Но  предварительно посмотрите, на какое напряжение она рассчитана. На  стеклянной колбе обычно указано 127 в или 220 в Занятие 5.6 Подъемный кран с электромагнитом Основной частью крана является небольшой электромагнит. Делать его  надо так. Сначала из полосок жести соберите пакетик сечением приблизительно  10 кв. мм. Пластинки смажьте шеллачным лаком, отделяя их друг от друга  листиками папиросной бумаги.  Собрав все пластинки, зажмите их в тиски (или положите на них что­ либо тяжелое). Когда лак высохнет, пластинки плотно прижмутся одна к  другой, образовав цельный пакет. Такой пакет из железа в электромагнитах  называют сердечником. В тисках слегка подровняйте грани и торцы железной призмы  (сердечника). Затем из толстой бумаги склейте чехол, в который плотно  входил бы наш сердечник. Снизу и сверху бумажной призмы наклейте из  тонкой фанеры или картона две щечки квадратной формы. Как видно из рис.  5.6.1, железный сердечник должен немного выдаваться из катушки. Далее на катушку намотайте провод диаметром 0,4—0,5 мм (в любой  изоляции). Мотать надо только в одну сторону, причем каждый слой следует  прокладывать папиросной бумагой. Всего нужно намотать 4—5 слоев. Начало  и конец намотки выведите отдельно по бокам сердечника. Испытайте электромагнит, пропустив через его обмотку ток от двух  батарей. Под током наш магнит должен притянуть несколько небольших  гвоздей. Остается сделать станину для нашего электромагнитного крана. На рис. 5.6.2 показано, как подвесить катушку электромагнита на трос и связать его с  маленьким воротом. Куда поместить батарейки, придумайте сами. Можно  прикрепить их под основанием станины. Установите также где­нибудь  выключатель тока и придумайте поворотное устройство у стрелы крана. Занятие 5.7 Понижающий трансформатор Лучше всего собирать самодельный трансформатор в кружке под  руководством преподавателя физики или опытного руководителя  электротехнического кружка. Рассмотрите внимательно рис.5.7.1. Здесь показаны главные части трансформатора: сердечник из полосок  отожженной жести в виде замкнутого кольца, две обмотки — первичная  (включается в сеть с напряжением 127 или 220 в) и вторичная (дает на выходе  пониженное напряжение до 4 в). Здесь же вы видите схемы обмоток и общий  вид готового прибора. Изготовим самодельный трансформатор, исходя из  заданного соотношения напряжений в первичной и вторичной обмотках (127 в и 12 в или 220 в и 12 в). Так, если мы хотим понизить напряжение 127В до 12В и первичная  обмотка имеет 1200 витков, то во вторичной должно быть 120 витков, т. е.  отношение числа витков первичной и вторичной обмоток должно быть равно  отношению напряжений на их зажимах. Делать трансформатор советуем по следующему плану: 1. Склейте из картона призму, пользуясь деревянной болванкой; на  концы картонной призмы клеем БФ­2 приклейте две щечки из фанеры или  оргстекла. 2. Обмотав призму изоляционной лентой в один слой, намотайте не  менее 800 витков первичной обмотки (при напряжении сети 127 в) проводом  диаметром 0,6—0,7 мм. Если напряжение сети 220 в, то намотайте 1200  витков проводом ПЭЛ диаметром 0,3—0,5 мм. Мотать следует в одну сторону и каждый слой прокладывать  папиросной бумагой с клеем. Выведите начало и конец обмотки длиной в 300  мм в отверстия щечек катушки (см. рис. 5.7.2). Часто случается, что во время намотки начало катушки из тонкого  провода диаметром 0,6 мм обрывается, и тогда приходится начинать работу  снова. Чтобы избежать этого, следует сразу прочно припаять к началу тонкого провода кусок гибкого провода потолще и в более прочной изоляции. Место  припоя оберните в один слой изоляционной лентой и поместите его с  внутренней стороны щечки катушки, тогда более прочный провод пройдет с  внешней стороны щечки. Так же следует закрепить вывод последнего витка обмотки. Намотав  первичную обмотку, проложите поверх ее изоляционную ленту в один слой  без пропусков. 3. На эту изоляционную ленту намотайте 80 витков вторичной  обмотки проводом ПЭЛ диаметром 1,8 мм (если напряжение сети 127 в) или  120 витков проводом ПЭЛ диаметром 1,8 — 2 мм (при напряжении сети 220  в). В том случае, если у вас под рукой не найдется провода такого диаметра,  сложите вместе три провода диаметром 0,6 мм и таким утроенным проводом  сделайте вторичную обмотку. Что надо сделать, чтобы с помощью нашего трансформатора можно  было получить напряжение 4, 6, 8 и 12 в? Оказывается, если разделить все 120 витков вторичной обмотки на  части, то можно, кроме 12 в, получить и меньшее напряжение. Для этого  намотайте сначала 20 витков и сложите провод вдвое, сделав отвод длиной  150 мм. Назовем эту маленькую катушку в 20 витков секцией вторичной  обмотки. На ее концах при включении первичной катушки в осветительную  сеть мы получим напряжение 2 в. Сделав отвод от первой секции, намотайте в том же направлении еще  одну секцию в 20 витков. Начало первой секции и конец второй дадут на  выходе 4 В. Так, делая отводы после каждых 20 витков, намотайте еще четыре  секции. Все они вместе дадут на концах 12 В, а между ними расположатся  выводы отдельных секций, дающих напряжение 2, 4, 6, 8 и 10 в. Все это  хорошо видно на схеме и рис. 5.7.3. Не забудьте все петельки на отводах  секций очистить от слоя изоляции. 4. Теперь займитесь железным сердечником трансформатора.  Нарежьте старыми ножницами из листа жести (можно взять большие  консервные банки) 30 полос шириной 50 мм и длиной 300 мм. Связав все  полосы проволокой, положите их в горячую печь и оставьте там весь пакет до  того, как печь совершенно остынет. Остывшие полосы, счистив с них налет окалины, соберите в пакет,  прокладывая между ними листы папиросной бумаги, смоченной шеллачным  лаком или клеем БФ­2. Затем сожмите весь пакет в тисках (или под грузом) и  дайте хорошо просохнуть. Если все пластины изолированы друг от друга, а  весь пакет плотно обжат, сердечник обеспечит хорошую работу  трансформатора. 5. Сердечник плотно вставьте внутрь оправки так, чтобы средняя  часть полос оказалась посредине ее. Выступающие концы сердечника  разделите пополам (по 15 штук) и поочередно отогните каждую полоску, как  показано на рис. 5.7.4. Так вы получите два кольца, середина которых  заключена внутри оправки. Обжатые в оправке полосы выньте из нее и  вставьте внутрь катушки с обмотками. Как и раньше, снова отогните концы  полос, соединив их плотно по бокам катушки. Полосы при соединении на боках катушки должны плотно прикасаться  друг к другу, для чего 2—3 раза обвяжите собранный трансформатор прочной бечевкой. Стягивать собранный трансформатор металлической проволокой  нельзя ни в коем случае. 6. Сердечник с катушкой положите на толстую дощечку и закрепите  их отожженной проволокой крест­накрест. Проволока не должна касаться  железных пластин, для чего под нее следует положить куски какого­нибудь  изолятора (изоляционную ленту, тонкую резину и т. д.). На выводы оденьте  чехлы: на сетевые концы — резиновые трубки, снабдив провода штепсельной  вилкой, на выходные — кембриковые. 7. Испробуйте трансформатор. Включите первичную обмотку в  розетку, а к зажимам «4 в» подключая автомобильную лампочку на 12 в или  вольтметр переменного тока. Для трансформатора надо сделать ящик­футляр, который предохранит  катушку и сердечник от механических повреждений. Такой чехол лучше  выкроить из жести, хотя и фанерный также может служить с успехом. Собрав полностью трансформатор — испытайте его. Испытание следует проводить в присутствии руководителя кружка и помнить, что незаконченный трансформатор, пока не заизолированы все его детали и выводы, ни в коем  случае нельзя включать в сетевую розетку. При включении в сеть при испытании желательно один из контактов  штепсельной вилки сетевой обмотки соединить с небольшой (60—70 мм)  проволочкой толщиной в волос. Такую проволочку можно отделить от  обычного многожильного провода. Если к одному из контактов вилки будет  прикреплена такая проволочка, то при включении трансформатора в сеть она  может перегореть. И случиться это может  только тогда, когда в  трансформаторе где­то произойдет замыкание. Следует немедленно  прекратить испытание и постараться найти причину неисправности. Неисправности трансформатора могут заключаться в обрыве первичной  катушки, в замыканиях между катушками или замыканиях между катушками  и сердечником. В поисках обрыва проводки в обмотках может помочь  «пробник». Собрав описанный выше простейший трансформатор, юный техник  может приступить к сборке более сложных и совершенных самодельных  трансформаторов, близких к тем, которые выпускает наша промышленность. Вместо самодельного пакета из обрезков жести от консервных банок  можно использовать готовый Ш­образный сердечник старого заводского  трансформатора, например типа ЭЛС­2. Описание расчетов и сборки  трансформатора можно найти в литературе, указанной в конце книги. РАЗДЕЛ 6 ПОЛЕЗНОЕ С ПРИЯТНЫМ  Занятие 6.1 Электрический звонок Электрический звонок относится к так называемым сигнальным  устройствам. Подобные устройства основаны на следующем принципе: ток,  текущий через катушку, создает магнитное поле, которое притягивает  металлический якорь, соединенный с молоточком звонка.  Молоточек ударяет о чашечку звонка, издавая короткий сигнал. Чтобы  молоточек звонка ударял по чашечке не один­единственный раз, а звонок  звонил столько времени, сколько нажата его кнопка, надо сделать цепь тока,  текущего через катушку, прерывистой. Звонок устроен так, что в момент удара молоточка по чашке звонка  цепь тока прерывается. Катушка теряет свой магнетизм, и молоточек  возвращается на свое место. Благодаря этому цепь тока снова замыкается. В  катушке вновь возникает магнитное поле, и якорь снова притянется. Этот  процесс повторяется много раз в секунду в течение всего времени, пока  нажата кнопка. Самодельный электрический звонок понадобится при сборке  телефонной установки. На рис. 6.1.1 показан простейший самодельный  электрический звонок. Основной частью его является электромагнит ЭМ, с изготовлением  которого мы знакомы по предыдущим работам. Упругую пластинку П с  молоточком М прикрепите к деревянному бруску. На угловую стойку из  толстой жести установите контактный винт так, чтобы он касался упругой  пластинки. Винт подберите из набора «Металлоконструктор» и закрепите в  стойке с помощью гайки, припаянной к этой стойке. Из полоски жести вырежьте якорь по указанной выкройке и наложите  его на пластинку П. Соединение всех деталей (электромагнита, пластины с  молоточком, винта, батарейки, кнопки включения) сделайте, как показано на  рис. 6.1.1. При нажиме на кнопку по обмотке электромагнита потечет ток.  Сердечник притягивает пластину с якорем, и молоточек ударяет о край  чашечки звонка. Пластина при этом отходит от контактного винта, катушка  электромагнита обесточивается, и под действием упругих сил пластины якорь возвращается в первоначальное положение.  Вновь замыкается цепь питания электромагнита, и описанный выше  процесс повторяется.  Из 14 полос тонкой жести шириной 5 мм сделайте сердечник  электромагнита, как это показано на рисунке. Из картона или миллиметровой  фанеры вырежьте две дощечки, наденьте их на сердечник, смазав клеем места  соединений. Широкую часть сердечника (между щечками) оберните двумя  слоями бумаги для изоляции. На сердечник намотайте пять рядов обмотки  проводом 0,3— 0,4 мм.  По указанным размерам вырежьте из жести пластину П и якорь Я и  соедините их. Вверху на якоре укрепите болт, выполняющий роль молоточка  М, а к горизонтальной планке прикрепите пластину железа, как это показано  на рис. 6.1.1. Стойку контактного винта сделайте из металлической пластинки толщиной 1 —1,5 мм. Чашечкой звонка может служить любая металлическая  крышка (от чернильного прибора, чайника). Соберите все детали звонка. Дощечку с электромагнитом приверните к  панели так, чтобы пластинка из железа на якоре располагалась против концов  сердечника, а зазор между ними был не более 1 мм.  Ввинтите контактный винт в гайку, чтобы он слегка коснулся упругой  пластинки. Подключите звонок к батарейке или к клеммам «4в» понижающего трансформатора. Осторожно поворачивайте винт, пока молоточек не начнет  беспрерывно ударять по чашечке звонка. Занятие 6.2 Небольшая ракета Устройством и запуском ракет увлекаются многие юные техники. Но  для запуска ракет используются взрывчатые вещества. Поэтому любителям  ракетного моделирования лучше всего делать свои модели в кружках на  станциях юных техников или в школьном кружке, которым руководит  преподаватель физики. На рис. 6.2.1 показана ракета с пусковым устройством. Принцип запуска ракеты таков: бумажная гильза с обтекаемой головкой из мягкой древесины взлетает под действием взрыва горючей смеси в  двигателе. Двигателем служит бумажный стаканчик, начиненный взрывчатой  смесью, а воспламенение смеси вызывается накаленной проволочкой из  нихрома или никелина.  Электрическую энергию для накала дают две батареи от карманного  фонаря. Для замыкания цепи накала служит обычный выключатель  осветительной сети или просто кнопка от электрозвонка. Чтобы ракета  поднялась в заданном направлении, на деревянной площадке установлены  четыре направителя из проволоки. Для запуска модели ракеты купите следующие вещества: 1) калийную  селитру; 2) серу — порошок желтого цвета; 3) уголь древесный  активированный. При изготовлении ракеты советуем придерживаться определенного  плана. 1. Сделайте из чертежной кальки две трубочки, навертывая полоску  кальки с клеем на круглую палочку диаметром 6—8 мм. Заготовить надо две  трубки: одну для двигателя (покороче) и другую  для самой ракеты  (подлиннее). Трубка ракеты должна легко надеваться на трубку двигателя. Когда  трубки высохнут, снимите их с палочек, проверьте, плотно ли надевается  трубка ракеты на двигатель. Верх ракеты сделайте из легкой древесины в виде конуса. 2. Подготовьте двигатель. В трубочку для двигателя вставьте две  бобышки из древесины: одну — внизу, другую — в верхней части. Размеры  бобышек возьмите с чертежа. 3. Приготовьте топливо, для чего отвесьте селитры — 38 г, серы —  6 г, угля — 16 г. Все эти вещества в пакетах предварительно хорошо просушите на  горячей батарее отопления. После просушки каждый реактив отдельно  тщательно растолките в фарфоровой ступке, а затем все три составные части  хорошенько перемешайте, чтобы получилась однородная смесь темно­серого  цвета. 4. Запрессуйте в трубочку двигателя приготовленную смесь.  Прессовать следует в приспособлении, изображенном на рис. 6.2.2. При этом  засыпайте смесью так, чтобы осталось место для вклейки нижней деревянной  бобышки с отверстием — соплом (диаметр 2,5—3 мм). 5. Вставив в трубку двигателя нижнюю бобышку с отверстием,  высверлите в запрессованной смеси сверлом (диаметром 2,5—3 мм)  неглубокое отверстие. 6. В отверстие нижней бобышки вставьте запал­спиральку из  нихрома диаметром 0,1 мм, концы которой соединены с двумя тонкими  изолированными проводами зажигания. Два конца подводящих проводов  присоедините к полюсам батареи через выключатель. 7. Теперь сделайте стартовую площадку. Она собирается из дощечки и четырех направляющих проволок согласно рис. 6.2.1. Установите модель на  эту площадку и соедините запал с батареей и с выключателем. Включите ток — запал воспламенит топливо, и ракета, отделившись от двигателя, взлетит  вверх. Занятие 6.3 Электрический фонарь для туристов Обычный карманный фонарик, который можно купить в магазине, дает  слабый свет. Сделаем более мощный фонарь на двух батарейках. Он дает  яркий пучок света на расстояние 10—12 м и очень удобен в походах.  Для изготовления этой самоделки понадобятся две батарейки для  карманного фонаря, плоско­выпуклая линза с коротким фокусным  расстоянием 10—12 мм, обычная маленькая кнопка для настольной  электролампы и лампочка на 3,5 В. Устройство фонаря ясно из рис. 6.3.1, а схема поможет провести  соединения. Занятие 6.4 Для юного рыболова Представляем вам любопытную донную удочку с электрозвонком. На берегу вы видите небольшой ящичек. В нем электрозвонок и 1 — 2  батарейки; ручки ящика служат удилищем — к одной из половинок ручки  прикреплена леска с рыболовным крючком и грузилом. Насадите на крючок насадку, забросьте леску в воду и ждите, когда  пойманная рыба вам «позвонит» рис. 6.4.1. Устройство удочки не представляет затруднений, а ручка делается из  двух упругих полосок латуни, как обычный выключатель многих самодельных приборов, которые уже встречались в этой книжке. При удаче на «донку» можно поймать крупного налима, сома и других  рыб, обитающих на дне реки. Советуем на случай, когда насадку заглотит  очень крупная рыба, закрепить наш чемодан­удочку, привязав его к  ближайшему пню или прибрежным кустам.