Электрический маятник для часов. Простейший магнито-механический маятник - как пример реализации принципов создания различных типов вечных мд. Как сделать маятник или выбрать готовый
Основный элементом обычных механических часов является маятник или баланс, которые приводятся в движение гирей или пружиной. Такие часы требуют регулярного и частого подзавода, что создает определенные неудобства.
Многие конструкторы долгое время работали над проблемой создания часов без гири и пружины, в результате появились электромеханические часы. В них маятник приводится в движение электромагнитом, который питается от источника электрического тока. Когда маятник приближается к положению равновесия (рис. 1), контакты, связанные с ним, замыкаются, и по обмотке электромагнита протекает ток. На маятнике укреплен якорь из мягкого железа, который притягивается неподвижным электромагнитом.
Рис. 1. Устройство электрических контактных часов.
Электромеханические часы очень экономно расходуют энергию батареи и обладают хорошей точностью хода. Но и у них есть слабое место - контакты, замыкающие цепь электромагнита. Ведь только за один год им приходится замыкаться миллионы раз, поэтому через некоторое время электрические часы начинают работать неточно. А если часы совсем маленькие, например наручные, то миниатюрные контакты в них работают еще более ненадежно.. С появлением транзисторов оказалось возможным создать бесконтактные электрические часы.
Схема электрических бесконтактных часов на транзисторе показана на рис. 2. На маятнике укреплен постоянный магнит, при движении которого в витках неподвижной катушки наводится эдс. Одна из обмоток катушки включена между базой и эмиттером транзистора, вторая -- в цепь коллектора.
Рис. 2. Электрическая схема часов на транзисторе.
Центр маятника (магнита) пересекает ось катушки в положении равновесия. При колебаниях маятника в катушке L1 наводится эдс, форма которой иллюстрируется кривой 1 (рис. 3). На этом рисунке кривые, проведенные сплошной чертой, представляют эпюры напряжений и токов, возникающих при движении маятника слева направо, а пунктиром - справа налево. Концы обмотки катушки L1 включены так, что, когда маятник подходит к положению равновесия, на базе транзистора появляется отрицательное относительно эмиттера напряжение. Оно возникает при приближении магнита к катушке, вследствие увеличения магнитного потока, пересекающего ее витки. В положении равновесия магнитный поток через катушку достигает максимума. В этот момент напряжение становится равным нулю. Далее магнитный поток начинает уменьшаться и эдс меняет знак на обратный. Когда магнит отходит далеко от катушки, напряжение на ее концах почти исчезает. Во время второго полупериода картина повторяется: при приближении магнита к катушке в обмотке L1 наводится такая эдс, что на базе напряжение отрицательно. Под действием этого импульса напряжения в цепи базы проходит ток (кривая 2) и транзистор отпирается (рис. 3).
Рис.3. Эпюры напряжения, тока а анергии маятника
для схемы часов, приведенной на рис. 2.
А - амплитуда колебаний маятника,
О - положение равновесия.
Направление витков катушки L2, включенной в цепь коллектора, таково, что, когда по ней проходит ток коллектора (кривая 3) магнит притягивается к катушке. Его движение ускоряется.
Частота колебаний маятника как и в обычных часах почти полностью определяется его физическими параметрами: длиной и распределением массы. Масса маятника в основном определяется магнитом и деталями его крепления. С маятником связывают стрелочный механизм с циферблатом, и часы готовы.
Конструкция часов. Для изготовления часов на транзисторе вполне пригодны любые маятниковые часы или "ходики". В них необходимо лишь переделать спусковое устройство и, конечно, удалить пружину или гирю; их функции будет выполнять батарея.
В обычных часах спусковое устройство, приводящее в движение маятник, имеет вид, показанный на рис. 4,а. Его надо переделать так, как показано на рис. 4,б. На ось 1 напаивают коромысло 2, на котором свободно подвешена серьга 3. При движении маятника влево серьга скользит по скошенной стороне зубца храпового колеса 4 и под действием своей тяжести соскакивает с его вершины в промежуток между зубцами. При движении маятника вправо серьга упирается в крутую сторону зубца и поворачивает храповое колесо влево на один зуб. Чтобы зафиксировать положение колеса и не дать ему поворачиваться вправо, на нем сверху лежит одним краем лепесток-собачка 5. Второй край лепестка свободно поворачивается вокруг оси 6. При вращении храпового колеса влево лепесток скользит по скошенным краям зубцов и, соскакивая с их вершин, упирается в крутые края зубцов.
Рис. 4. Устройство спускового механизма обычных часов (а).
Устройство механизма часов на транзисторе для
преобразования колебательного движения маятника
во вращательное движение стрелок (б).
Собранный механизм часов, изготовленных из обычных "ходиков", показан на рис. 5. Коромысло, серьга и лепесток-собачка в этих часах изготовлены из жести. Магнит может быть использован любой. Его объем не должен быть менее 3-4 см 3 , так как он должен удерживать груз 100-200 г. В описываемой конструкции использован кольцевой магнит от громкоговорителя диаметром 35 мм. Для регулировки хода часов крепление магнита должно предусматривать его перемещение вверх и вниз. Если часы спешат, то маятник (магнит) необходимо опустить.
Рис.5. Собранный механизм часов.
В часовом генераторе (рис.2) могут работать любые сплавные транзисторы, например, типа П13-П15. Работа генератора не зависит от величины коэффициента усиления транзистора по току. Диод Д1 можно применить типа Д7Б-Д7Ж. Вместо диода можно использовать эмиттерный или коллекторный переход германиевого сплавного транзистора, у которого оторвался вывод эмиттера или коллектора. Если в генераторе (рис.2) применен транзистор с проводимостью n-p-n, то полярность включения батареи и диода Д1 следует изменить на обратную.
Катушку электромагнита можно намотать на пластмассовом или бумажном каркасе с внутренним диаметром 20, наружным 48 и шириной 8 мм. Наматывать катушку нужно в два провода внавал до заполнения. Диаметр провода - 0,09-0,15 мм. После намотки необходимо проверить нет ли замыканий между полученными двумя обмотками. Начало одной обмотки соединяют с концом другой и к этой точке подключают вывод эмиттера транзистора.
Смотрите другие статьи раздела .
Каждому из нас знакомо украшение в китайских часах, которое выполнено в виде «вечной» вертушки или маятника. Построить подобное чудо совсем несложно и займет это не более получаса. Взглянем на схему ниже:
При подаче на схему напряжения питания выключателем SB1 транзистор VT1 окажется закрытым, поскольку его база через катушку L1 будет соединена с эмиттером. Смещения нет, транзистор закрыт, тока через L2 тоже нет. Привяжем постоянный магнит к шнурку и качнем наш импровизированный маятник в непосредственной близости от катушек L1, L2 (они намотаны на одном каркасе). При его приближении в катушке L1 начнет наводиться ЭДС, которая откроет транзистор. Чем ближе магнит, тем сильнее открывается транзистор и тем больше ток в катушке L2, которая своим магнитным полем наш магнит начинает притягивать.
В момент, когда маятник проходит как раз над катушками, эти значения максимальны, а как только маятник по инерции начнет удаляться, ЭДС сменит знак и транзистор закроется. Таким образом, притягивается маятник только в первой половине периода, во второй он идет по инерции. Прямо как настоящие качели, которые мы раскачиваем, взмахивая ногами в первый полупериод качания. Диод VD1 предотвращает генерацию, которая может возникнуть на резонансной частоте контура L1, L2.
Теперь поговорим о конструкции наших качелей. Катушки L1 и L2 наматываются одновременно проводом диаметром 0.08 — 0.1 мм на каркасе подходящих размеров. Например, на таком:
Наматываем чем больше, тем лучше, до заполнения. Чем больше витков, тем меньшего напряжения для работы потребует маятник. При соединении катушек нужно соблюдать фазировку – начало первой соединить с концом второй. В качестве сердечника подойдет обрезок любого железного болта или даже болт целиком, если он короткий. Перед использованием этот болт нужно обжечь – нагреть докрасна на газу и остудить на воздухе.
Транзистор лучше взять с максимально возможным коэффициентом передачи. Подойдет любой маломощный германиевый (у меня работал даже кремниевый) прямой (p-n-p) проводимости. Если проводимость у транзистора обратная (n-p-n), то тоже не беда – достаточно сменить полярность подключения источника питания и диода VD1.
Маятник или качели выполняйте на свой вкус. Важно только чтобы магнит, расположенный на основании маятника, проходил в нескольких миллиметрах от сердечника катушки. Сам магнит – любой, чем мощнее, тем лучше, но ничего особенного искать не придется. Отлично подойдет кусочек «черного», ферритового магнита от динамической головки или железного – от старого детского моторчика.
В качестве источника питания используется пальчиковый или любой другой гальванический элемент, которого хватит на многие месяцы работы конструкции, причем от выключателя SB1 можно смело отказаться, поскольку в спокойном положении нашего маятника транзистор закрыт и потребление тока схемой минимально. Если магнит совсем уж слабенький или качели для него тяжеловаты, то можно увеличить напряжение питания до 3 В, включив два элемента последовательно.
На свойствах электромагнита основана работа огромного количества приборов и машин. Большинство маятников в современных электрических часах также работает под действием электромагнита. Попробуем разобраться в причинах, крторые заставляют неутомимо раскачиваться электрический маятник, и сделаем сами его небольшую модель.
Для этого нам понадобятся: самодельный электромагнит, такой же, какой мы изготовили при устройстве электрического звонка, жесть, одна-две батарейки или понижающий трансформатор.
Маятник вырезывается из жести по выкройке, изображенной на рисунке 1. Внутреннее отверстие выбивают стамеской по линиям чертежа, ударяя молотком по ее ручке. Для этого жесть с нанесенным на ней чертежом кладется на ровную доску твердой породы дерева. Затем, зачистив напильником острые заусеницы отверстия, вырезаете всю фигурку маятника обычными ножницами по внешнему контуру. После этого снова прошлифуйте мелким напильником все края, а нижнюю полоску - язычок - сверните в небольшую трубочку. В свернутом виде она будет служить обычным утяжеленным концом маятника. В верхней части фигурки просверлите или пробейте стальным шилом маленькое отверстие, края которого надо тщательно зашлифовать мелкой наждачной шкуркой. Это небольшое отверстие служит для того, чтобы надеть маятник на. стальную толстую иголку или отрезок вязальной спицы, забитый в верхнюю часть вертикальной стойки С (рис. 2).
Маятник надо повесить на иглу так, чтобы его нижняя часть,
свернутая трубочкой, приходилась как раз над концами выступающих
полюсов магнита, почти касаясь их, но
при раскачивании не задевала бы выступающие концы сердечника.
Чтобы избежать трения маятника о деревянную стоечку, наденьте на ось небольшой отрезок медной трубочки с хорошо отшлифованными краями. По бокам верхнего выступа маятника надо установить два медных гвоздика. Они будут удерживать маятник от слишком больших размахов.
Электрический ток подводится от батарейки или трансформатора (4 - 6 вольт), по схеме, указанной на рисунке 2. Все места соединений проволочек должны быть хорошо зачищены и припаяны.
На рисунке 2 вы видите тоненькую, упругую проволочку-прерыватель П. Прерыватель обеспечивает беспрерывное раскачивание^ маятника. Первый размах маятника надо сделать легким движением пальца, доведя его боковую часть до прерывателя. При этом электрическая цепь замкнется через один из верхних шпеньков, ток побежит по обмотке электромагнита, и его сердечник мгновенно притянет нижний утяжеленный конец якоря. Как только нижняя часть маятника потянется вниз, цепь разомкнется и маятник перейдет на противоположную сторону. Здесь другую боковую сторону маятника снова встретит прерыватель, который заставит магнит притянуть маятник вниз.
Так будет раскачиваться маятник до тех пор, пока вы не отсоедините всю модельку от источника тока - трансформатора или батарейки.
Очень занятную модель электромаятника можно сделать в виде качелей, а на сиденье их укрепить фигурку Буратино, вырезанную из бумаги или пробки. Маленький человечек - любимый герой ребят - будет взлетать и опускаться вниз самым загадочным образом.
Для ребенка, а при добротной сборке можно развить идею до, например, офисного сувенира.
Основу игрушки составляет простейшая нависная схема (хотя конечно лучше сделать на плате), состоящая из транзистора, диода и особо намотанной катушки, скрытая в дне. "Сиденье” качели - магнит, лучше выбрать неодимовый, их сейчас полно, хотя вполне сойдет и обычный.
Катушка мотается двойным проводом сечением каждый примерно 0.25-0.3 около 1500 витков, т.е. параллельно берутся 2 медных провода и мотаются на катушку. На схеме видно, что конец первого провода соединяется с началом второго. Форму катушки выбрал из логических соображений овальной, т.к. магнит, проходящий над ней, будет лучше взаимодействовать по длине большей диагонали эллипса. Сердечник не использовал, так что можете поэкспериментировать с ним. Мотать лучше аккуратно, виток к витку, но не обязательно.
Транзистор прямой проводимости, можно взять МП39…42, диод любой, батарейка обычная на 1.5 вольт. Для удобства лучше сделать выключатель.
Прошу прощения за кустарную сборку, но я делал ее в школьные годы на голом энтузиазме по схеме из старого отцовского блокнота со схемами, так что толком неизвестно, откуда она взялась, и хотел просто как можно скорей увидеть, как она работает.
Запускается просто, включаете устройство и толкаете магнит, через пару секунд вы заметите, как интенсивно начнет колебаться маятник. Система будет лучше работать, если получится создать резонанс, т.е. равенство частот работы схемы и собственной частоты маятника, которая высчитывается по формуле. Здесь это достигается подгонкой всех параметров маятника. Закрепить шатун лучше на 2-х подшипниках, а не на 1-м как у меня.
(рис.1) может быть построен с применением разных физических магнитных эффектов в сочетании с эффектом гравитации. Для компенсации потерь на трение и создания незатухающих колебаний в обычном гравитационном маятнике предлагается дополнительно использовать попеременно силовое взаимодействие двух постоянных магнитов. Изменение характера силового 1, 2 осуществляется преобразователем 6.Он должен обеспечить притягивание постоянных магнитов 1, 2 маятника на спусковом полупериоде качания маятника, в момент их силового отталкивание после прохождения нижней точки траектории маятника. Этот (маятник) может быть построен на различных принципах и физических эффектах:
а) С использованием механического разворота неподвижного магнита 1 на 180 градусов при переходе маятника через нижнюю точку - например: пружинного типа с кулачком ;
б) Путем скачкообразного перемагничивания неподвижного магнита 1 в нижней точке магнита 2 (магнитный эффект Баркгаузена), причем электроэнергию и магнитное поле достаточное для перемагничивания магнита 1 получаем от индуктивной обмотки, размещенной на магните 1 и соединенной с накопителем электроэнергии;
в) С использованием комбинации эффекта Баркгаузена и термомагнитного эффекта Кюри. В этом случае в нижней точке траектории магнита маятника 1размагничиванием импульсным нагревом магнит 1 выше точки Кюри с импульсным перемагничиванием его (эффект магнитного триггера Баркгаузена) -при достижении магнитом 2 верхней точки траектории;
г) Механическое одного из магнитов на определенных участках траектории качания магнита маятника;
Parazit kotoryj mozhet ubity - Srochno
д) Электромагнтное управление магнитным полем магнита 1 -(усиление-ослабление) - магнитоэлектрический механический маятник -дополнение устройства индуктивной обмоткой, обвитой вокруг неподвижного магнита 1 с конденсатором и частотой колебаний контура равной частоте механических колебаний и регулируемой фазой колебаний этим колебательным электрическим контуром посредством индуктивности встречного магнитного поля компенсирующего магнитное поле магнита 1 на тормозных участках траектории с усилением его магнитного поля на разгонный траектории маятника магнита 2.
