đề tài sâu điện từ đục đất

Các đề tài đã khảo sát mạch cộng hưởng RLC nghiên cứu tương tác giữa ống dây mang dòng điện, khảo sát lực tương tác giữa một ống dây với một lõi sắt và sử dụng lực tương tác do va đập củ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘITRƯỜNG THPT NGUYỄN GIA THIỀU - QUẬN LONG BIÊN

-**** -ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT

DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ

LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014-2015)

Lĩnh vực : Kỹ thuật điện & cơ khí

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

1 PGS.TS Trần Minh Thi

- Đơn vị công tác: Trường ĐHSP Hà Nội

2.ThS Nguyễn Nguyệt Huệ

- Đơn vị công tác: THPT Nguyễn Gia Thiều

TÁC GIẢ

1 Lưu Tùng Hải

2 Phạm Bình Minh

Lớp: 12A3 Trường THPT Nguyễn Gia Thiều

MỤC LỤC

PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

PHẦN II: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI 2

1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2

PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3

1 Quá trình tiến hành thực nghiệm 4

1.1 Tiến hành thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, cơ cấu điện từ hút đẩy dùng một cuộn dây 4

1.2 Tìm kiếm phương án tạo lực điện từ mạnh hơn 8

2.1 Sơ đồ nguyên lý của "Sâu điện từ đục đất" 15

2.2 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu 15

2.3 Hoàn thiện cơ cấu 15

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 20

PHẦN IV: KẾT LUẬN 21

Tài liệu tham khảo 22

PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với mục tiêu nghiên cứu làm giảm sự lãng phí do thiếu đồng bộ khi xây dựng các kết cấu hạ tầng, ví dụ một con đường đẹp mới được hoàn thành, lại thấy

đường bị đào lên để chôn đường ống nước, dây điện việc này vừa gây lãng phí

rất lớn, gây mất mĩ quan đô thị, phá hỏng con đường vừa đưa vào sử dụng, gây ô nhiễm môi trường v.v hoặc là một thiết bị quan trọng sử dụng để phá hủy bom mìn trong lòng đất, khi không chắc chắn sẽ đào lên được; hoặc xử lý các ổ mối ở trong đê; hoặc xác định khoáng sản v.v Trước những vấn đề cấp bách trên, nhóm nghiên cứu của chúng em nghĩ đến giải pháp đục ngang xuyên đất bằng thiết bị mới để giải quyết những vấn đề vừa đề cập đến.

Vấn đề đào ngang xuyên đất đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo ra nhiều loại máy khác nhau Nếu khoảng xuyên ngắn thì người ta sử dụng các máy khoan đất với kết cấu va đập cơ khí (vừa quay mũi khoan vừa rung búa đóng), với khoảng dài thì thường sử dụng pit-tông nén khí để ép đầu đục theo phương ngang tạo lực va đập, hoặc dùng các cơ cấu rung va đập sử dụng bánh lệch tâm do nhà bác học Tsaplin đề xuất, với thiết bị này thì đầu ép luôn bị lệch hướng và bị chuyển hướng (bị đùn sang hướng khác) Các máy thương mại này có giá thành cao, kích thước cồng kềnh, khi hoạt động cần có một địa hình rộng để có thể vận hành, đào hố đặt máy

Ở Việt Nam đã có một số đề tài khoa học nghiên cứu về cơ cấu rung va đập dùng cho máy đục ngang có kích thước nhỏ gọn như: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ "Nghiên cứu phát triển mô hình động lực học phi tuyến của cơ cấu rung va đập dùng ống Sô-lê-nô-ít trong mạch cộng hưởng RLC, ứng dụng cho các máy rung va đập yêu cầu kích thước nhỏ gọn" của tác giả Nguyễn Văn Dự - Đại Học Thái Nguyên Đề tài luận văn thạc sỹ "Động lực học cơ cấu rung RLC" của tác giả

La Ngọc Tuấn- Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Vinh-2009 Các đề tài đã khảo sát mạch cộng hưởng RLC nghiên cứu tương tác giữa ống dây mang dòng điện, khảo sát lực tương tác giữa một ống dây với một lõi sắt và sử dụng lực tương tác do va đập của cuộn dây với chốt chặn

Từ những nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học, nhóm chúng em nhận thấy cần nghiên cứu một cơ cấu điện từ đục ngang nhỏ gọn, hoạt động dựa trên nguyên tắc hút đẩy của mạch điện từ theo kiểu sâu đục đất, chúng em gọi là

"Sâu điện từ đục đất".

PHẦN II: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI

1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Để chế tạo "Sâu điện từ đục đất" nhóm nghiên cứu đã suy nghĩ, tìm hiểu

nguyên tắc hoạt động của các cơ cấu để đục theo phương ngang Dựa trên kiến thức về từ trường, cảm ứng điện từ đã học ở Vật Lý 11, chúng em thấy rằng khi đặt một nam châm vĩnh cửu trước ống dây có dòng điện chạy qua, lực điện từ xuất hiện sẽ khiến nam châm tương tác với ống dây Thông qua việc đảo chiều dòng điện thì nam châm sẽ được hút vào và đẩy ra liên tục

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, để tạo ra lực tác động đủ mạnh thì phải kết hợp giữa ống dây và mạch từ tác động lên trục từ (làm bằng các lá thép kĩ thuật điện), sử dụng hai ống dây lắp đặt sao cho đường nối tâm của cả hai ống trùng nhau Quá trình di chuyển hút - đẩy được tự động bởi hệ thống gồm hai rơ le đóng ngắt mạch điện, có chức năng điều khiển nguồn điện cung cấp cho hai ống dây Hai rơ le hoạt động nhịp nhàng giúp lõi thép chuyển động tuần hoàn Ở phía đầu của một lõi thép ta đặt chốt chặn để thu được lực va đập Sử dụng hệ thống lò

xo và các lá thép tạo ra ngàm, đẩy vào đất tạo phản lực cho cơ cấu tác động vào mũi đục chuyển động tịnh tiến theo một khoảng hành trình (x) Khi trục từ bị hút ngược trở lại, nhờ lò xo, cơ cấu ngàm ở trên mũi đục va đập vào vỏ, sẽ đẩy cơ cấu tiến một khoảng (x) Quá trình diễn ra liên tục khiến cho cơ cấu đục sâu vào đất giống như một chú sâu bò dần, bò dần vào đất

2 Điểm mới và sáng tạo của đề tài

Đề tài đã nghiên cứu cơ cấu hoạt động của mô hình "Sâu điện từ đục đất"

Hiện nay trên thị trường chưa có thiết bị đục đất theo phương ngang với nguyên

lý hút - đẩy điện từ như trên Các nghiên cứu trước đây mới khảo sát lực tương tác của một lõi thép với một ống dây, khảo sát về nguyên lý tạo lực va đập

"Sâu điện từ đục đất" hoạt động tự động thông qua hai rơ le đóng ngắt

hành trình kết hợp với rơ le trung gian (hoặc khởi động từ) để điều khiển nguồn điện cung cấp cho hai cuộn dây Cuộn dây có mạch từ nên từ tính thu được lớn, tác động lên trục từ tạo va đập đủ mạnh

“Sâu điện từ đục đất” có kích thước nhỏ gọn, dễ áp dụng vào cuộc sống,

giá thành sản phẩm thấp, mang nhiều ưu việt và cần thiết trong nhiều lĩnh vực của đời sống văn minh hiện đại, có thể đưa vào sản xuất hàng loạt cung cấp cho thị trường để giải quyết các vấn đề nêu trên

Lõi từ di chuyển trong cuộn dây có mạch từ

Biên độ nhỏ, cuộn dây nóng

Biên độ và lực va đập tốt

1 lõi sắt và 1 cuộn dây

2 lõi sắt và 2 cuộn dây

Phải thiết kế có lò xo kéo lại, sau đó đóng điện để tạo sự di chuyển của lõi từ Không có sự đồng bộ

giữa hút và đẩy

Tự động đóng hút đẩy

thông qua 2 cuộn dây

Loại Chọn

Gây hạn chế: Giao thông ùn tắc; công nhân sử dụng lao động phổ

thông; mất mỹ quan; làm bụi bẩn, ô nhiễm …

Đào ngang đường để chôn ống nước hay đặt dây điện … …

Thiết bị đào xuyên ngang đường nhỏ gọn

Nghiên cứu giải pháp điện

từ sử dụng lõi sắt Loại

PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành tổng cộng 10 thí nghiệm, thông qua kết quả của các thí nghiệm trước chúng em đánh giá ưu nhược điểm, rồi tiến hành các thí nghiệm sau để khắc phục nhược điểm của thí nghiệm trước và đưa ra phương án khả thi

Toàn bộ quá trình nghiên cứu và thực nghiệm của chúng em diễn ra theo sơ

đồ tư duy sau:

1

Quá

trình tiến hành

1.1 Tiến hành thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, cơ cấu điện từ hút đẩy dùng một cuộn dây

Trong phần này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành 6 thí nghiệm khảo sát cơ cấu hút - đẩy khi một cuộn dây có dòng điện chạy qua Qua 6 thí nghiệm nhóm đã thu được chuyển động tuần hoàn của lõi nam châm, nhưng lực tương tác của lõi nam châm chưa được mạnh như mong muốn (thí nghiệm 6)

+ Kim Ampe kế dịch chuyển sang giá trị khác không, chứng tỏ trên ống dây

đã xuất hiện suất điện động cảm ứng, và trong mạch kín có dòng điện chạy qua

Thí nghiệm 2

Lý do thí nghiệm: Từ hiện tượng cảm ứng điện từ, chúng em suy nghĩ đến

thí nghiệm ngược, liệu rằng khi có dòng điện chạy qua ống dây thì nam châm có chuyển động không?

Bố trí thí nghiệm:

Hình 1.1 thí nghiệm hiện tượng cảm ứng

điện từ

Nam châm đặt trong lòng ống dây, ống dây nối với máy biến thế, mắc qua đi-ốt để tạo dòng điện một chiều, sau đó nối với công tắc thành mạch kín Điện áp được cấp cho cơ cấu với các giá trị thay đổi U=6V; 9V; 12V; 24V Bật công tắc cho dòng điện một chiều vào ống dây để tạo nam châm điện, thay đổi giá trị hiệu điện thế theo hướng tăng dần Quan sát sự tương tác của ống dây với lõi nam châm.

Kết quả:

+ Lõi nam châm đặt trong lòng ống dây, không quan sát được sự tương tác.+ Đặt lõi nam châm lệch về một phía của ống dây, có sự tương tác giữa lõi nam châm và ống dây Tăng dần hiệu điện thế đến 24V ta thấy lõi nam châm dịch chuyển, tuy nhiên nam châm dịch chuyển một khoảng nhỏ, khó quan sát

Nguyên nhân: Do nam châm làm thí nghiệm có từ tính nhỏ, mặt khác thanh

nam châm chuyển động trong lòng ống dây có ma sát lớn, thế nên khó quan sát được sự dịch chuyển

Giải pháp khắc phục: Tìm mua loại nam châm có từ tính lớn, đồng thời bố

trí hai đầu ống dây hai vòng bi để giảm ma sát

Sau khi bố trí giảm ma sát, thí nghiệm quan sát được rõ ràng Cho dòng điện vào ống dây, lõi nam châm bị hút mạnh về một phía làm cho ống dây bị đổ xuống

Thí nghiệm 3

Lý do thí nghiệm:

Hình 1.2 lõi nam châm tương tác với ống dây khi có dòng điện chạy qua, lõi nam châm bị

hút mạnh về một phía, chuyển động nhanh khiến cả ống dây bị đổ xuống

Khi có dòng điện qua ống dây thì ống dây tương tác với nam châm Nếu đổi chiều dòng điện liên tục thì liệu nam châm có chuyển động qua lại trong lòng ống dây không?

Bố trí thí nghiệm: tương tự như thí nghiệm 2 Tiến hành đảo chiều dòng điện

liên tục bằng công tắc nguồn để lõi nam châm bị hút đẩy liên tục và có thể dịch chuyển tuần hoàn

Kết quả: Lõi nam châm chỉ dịch chuyển về một phía rồi dừng lại, dù có đảo

chiều liên tục và tăng hiệu điện thế đặt vào ống dây

Nguyên nhân: khi đóng điện, nam châm bị đẩy lệch hẳn về một phía, đảo

chiều dòng điện thì nam châm bị hút trở lại Nhưng do lực từ xuất hiện còn yếu nên không thắng được lực ma sát để có thể kéo lõi nam châm quay trở lại vị trí ban đầu

4600 vòng, đồng thời liên kết lõi nam châm với một lò xo dãn để khi lõi nam châm

bị lệch đi thì xuất hiện lực đàn hồi kéo lõi nam châm trở lại Hệ thống dao động, lò

xo liên tục được kéo dãn và dao động theo

Kết quả:

+ Khi đóng điện lõi nam châm dịch chuyển tuần hoàn liên tục Chuyển động của lõi nam châm tương đối nhanh với biên độ dao động khoảng 5mm

+ Lõi nam châm dịch chuyển chưa được một phút thì ống dây nhanh chóng

bị nóng lên Thí nghiệm cho thấy số vòng dây tăng lên đến 4600 vòng thì ống dây vẫn nóng, nhưng không nóng bằng ống dây có số vòng là 1000 vòng

Nguyên nhân:

Do khi có dòng xoay chiều biến đổi qua khối vật dẫn là vòng bi, nam châm, thì từ thông cũng biến đổi, trên vật dẫn xuất hiện dòng điện Fu-cô làm cho khối vật dẫn nóng lên Đồng thời trên dây cuốn có điện trở, điện trở này nhỏ, nên khi nối trực tiếp với nguồn 220V-50Hz thì cường độ qua ống dây rất

lớn, gần như gây nên hiện tượng đoản mạch, nên trên dây cuốn cũng tỏa nhiệt

do hiệu ứng Jun - Lenxơ Mặc dù số vòng của ống dây tăng lên thì điện trở của ống dây cũng tăng, nhưng tăng không nhiều

Giải pháp khắc phục: giảm hiệu điện thế đặt vào ống dây, giảm tiết diện dây

quấn, đồng thời tăng số vòng dây quấn của ống dây

Thí nghiệm 5

Lý do thí nghiệm: Muốn lõi nam châm dịch chuyển tuần hoàn trong thời

gian dài thì cần giảm dòng điện Fu-cô Nếu hạ điện áp đặt vào ống dây thì liệu hiện tượng nóng nên có được giải quyết?

Bố trí thí nghiệm:

Cuộn dây có đường kính tiết

diện dây quấn 0,2mm; số vòng dây

khoảng 4600 vòng Hệ thống cuộn

dây được đặt trên một chiếc xe lăn, xe

lăn bố trí trên một đường rãnh dẫn

hướng để xe lăn cũng có thể chuyển

động tự do Một đầu xe được giữ bằng

một lò xo dãn Lõi nam châm được

đặt lệch khỏi cuộn dây và được nối

Hình 1.3 Ống dây tương tác với lõi nam châm khi nối ống với nguồn xoay chiều

Hình 1.4 Cơ cấu điện từ hút-đẩy dùng một

cuộn dây

điện đổi chiều, ống dây xuất hiện lực từ đẩy nam châm ra Dòng điện đổi chiều liên tục khiến cho cơ cấu hoạt động nhẹ nhàng, liên tục

+ Cuộn dây hầu như không bị nóng lên dù hoạt động được một thời gian dài.+ Biên độ dao động của lõi nam châm chưa mạnh, chỉ khoảng 3mm Khi thay hiệu điện thế hoạt động ở mức cao hơn là 24V thì lõi nam châm có thể dao động một thời gian dài mà ống dây nóng lên không đáng kể

Thí nghiệm 6

Lý do thí nghiệm:

Trong thí nghiệm 5, khi nối lò xo dãn với nam châm ta có thu được chuyển động tuần hoàn của lõi nam châm, nhưng bố trí như vậy thì phương thức thu lực tương tác sẽ khó Liệu có thể thay lò xo dãn kể trên bằng một lò xo nén bố trí trong lòng ống dây? Khi đó đầu còn lại của nam châm có thể dễ dàng thu được lực va đập

Bố trí thí nghiệm:

Cuộn dây, nam châm và hiệu điện thế vẫn giữ như ở thí nghiệm 5 Bố trí lõi nam châm lệch khỏi ống dây một đoạn bằng cách một đầu ống dây chặn bằng một mẩu lò xo nén Khi lõi nam châm dịch chuyển đi sâu vào lòng ống dây, lò xo sẽ xuất hiện lực đàn hồi, đẩy lõi nam châm ra, khi chiều dòng điện thay đổi, lực điện

từ lại hút nam châm vào

Kết quả thí nghiệm:

+ Lõi nam châm dịch chuyển tuần hoàn, liên tục, biên độ dao động khoảng 5mm Gắn thêm vào đầu nam châm một mũi đinh, ta thu được lực va đập vào đầu mảnh gỗ chặn phía trước, khiến mảnh gỗ chuyển động

+ Tuy nhiên lực va đập thu được chưa đủ mạnh để có thể đục đất, do đó nhóm tiếp tục phải nghiên cứu để có thể chế tạo một cơ cấu có khả năng làm việc tốt hơn

Hình 1.5 Hoạt động của cơ cấu điện từ hút - đẩy

1.2 Tìm kiếm phương án tạo lực điện từ mạnh hơn

Trong 6 thí nghiệm ở trên, lõi nam châm chuyển động tạo ra lực tương tác

Vì dùng nam châm vĩnh cửu nên từ tính không được mạnh Do đó nhóm nghiên cứu suy nghĩ đến phương án dùng nam châm điện để tạo lực tương tác lớn hơn

Lõi thép kĩ thuật điện khi đặt trong từ trường sẽ bị từ hóa và biến thành nam châm Khi đặt lõi thép kĩ thuật điện trong lòng ống dây sẽ giúp làm tăng từ tính cho ống dây mang dòng điện Khi dòng điện mất đi, lõi thép cũng nhanh chóng mất từ tính

Khi hệ thống lõi thép kĩ thuật điện được bố trí thành mạch kín thì sẽ giúp khép vòng từ thông đi qua lõi thép tốt hơn so với khép vòng qua không khí Dựa trên lý thuyết đó nhóm đã chế tạo cơ cấu gồm ống dây được ghép các lá thép kĩ thuật điện bên ngoài và bên trong là hệ thống các lá thép kĩ thuật khác bố trí đồng trục

Trong phần này nhóm đã tiến hành tổng cộng 4 thí nghiệm như sau:

Thí nghiệm 7

Lý do thí nghiệm:

Thử nghiệm với nam châm điện để khảo sát lực tương tác nhằm mục đích

thu được lực va đập lớn hơn.

Bố trí thí nghiệm:

Dùng các lá thép kĩ thuật điện, ghép lại thành lõi thép và kẹp chặt giữa hai thanh ray trượt nhằm làm giảm ma sát Hai thanh ray được tận dụng từ ngăn kéo bàn cũ Nối một đầu thanh ray với lò xo dãn để giúp tạo lực đàn hồi kéo lõi thép ngược trở lại Ống dây cuốn khoảng 4600 vòng, dùng loại dây cuốn 0,5mm Nguồn điện được cung cấp là nguồn xoay chiều có hiệu điện thế U=110V Toàn bộ ống dây được bao bên ngoài bởi các lá thép kĩ thuật điện giúp khép vòng từ thông, giảm từ trở của không khí

Tiến hành thí nghiệm:

Ban đầu lõi thép kĩ thuật điện được đặt lệch về một phía so với ống dây Cho dòng điện một chiều đi qua, lõi thép bị hút mạnh vào trong Đổi chiều dòng điện bằng một công tắc đảo chiều, lúc này lõi thép lại bị hút ngược lại Liên tục đảo chiều dòng điện ta thu được một chuyển động tuần hoàn của lõi thép

Nhận xét:

+ Lực tương tác của lõi thép mạnh hơn nhiều so với thí nghiệm 6

+ Chuyển động của lõi thép nhanh và tạo lực mạnh, nên có thể sử dụng để tạo lực cho mũi đục của cơ cấu đục ngang

+ Cuộn dây và lõi thép nóng lên rất ít

Nhược điểm:

Khi dùng cơ cấu có một cuộn dây, ta luôn phải dùng lò xo hỗ trợ kéo lõi thép về Do vậy khi ống dây hút lõi thép về phía trước thì lò xo lại xuất hiện lực đàn hồi kéo lõi thép trở lại Lực này ngăn cản chuyển động, làm cho lực va đập của lõi thép sẽ giảm đi Ở thí nghiệm này đã không có sự đồng bộ giữa hút và đẩy.

Hình 1.6 Các lá thép kĩ thuật điện được

lấy từ thiết bị có sẵn hình dạng mong muốn bằng kéo chuyên Hình 1.7 Các lá thép được cắt ra theo

dụng

Hình 1.9 Hệ thống ray trượt giúp giảm ma sát

Hình 1.8 Ống dây cuốn với các đầu

nối ra với số vòng khác nhau

Hình 1.10 Ống dây được gắn các lá thép kĩ thuật điện ở hai bên nhằm

khép vòng các đường sức từ tốt hơn