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.
КАК СДЕЛАТЬ МАГНИТ ДЛЯ ОПЫТОВ
Для опытов нам понадобится постоянный магнит. Он может быть у вас дома: это магнитная мыльница или ненужный репродуктор от радиоприемника.
Если у вас ничего этого нет, придется магнит изготовить самим.
Для этого понадобится тонкая — диаметром около 0,3 миллиметра — проволока и батарейка для карманного фонаря (плоская).
На катушку из-под ниток намотайте медную изолированную проволоку толщиной 0,3 миллиметра. При намотке начальный конец оставьте длиной около 20 сантиметров. Намотку старайтесь делать поровнее. Когда катушка будет намотана, вставьте в ее отверстие стержень (желательно стальной) в качестве сердечника. Размер сердечника должен быть такой, чтобы его концы немного торчали из катушки. Если нет подходящего стального стержня, вставьте пучок хорошо расправленных канцелярских скрепок.
Присоедините концы намотанной на катушку проволоки к батарейке от карманного фонаря. Электрический ток, проходя по обмотке, намагнитит сердечник, и если он стальной, то останется намагниченным и после отсоединения батарейки. Убедиться в том, что сердечник намагнитился, можно, поднеся к нему кнопки, скрепки.
Выньте сердечник из катушки, вставьте вместо него несколько иголок и присоедините батарейку. Иголки намагнитятся и понадобятся нам для следующих опытов. Иголки вставляйте, подобрав их ушками в одну сторону, остриями — в другую.
Когда вынете иголки, отсоедините батарейку и вставьте на место сердечник. Запомните, какие концы проводов от катушки к каким полюсам батарейки присоединялись.
ОПЫТЫ С МАГНИТНЫМИ ИГОЛКАМИ
Опыт 1
Смажьте намагниченную иголку очень тонким слоем жира, а затем положите ее на поверхность воды. Иголка, плавая на воде, повернется одним концом на юг, другим — на север. Получится иголка — компас.
Опыт 2
Проделаем опыт с несколькими намагниченными иголками. Возьмите пять иголок и проткните ими пять маленьких — диаметром 1,3 сантиметра — кружков, вырезанных из непромокаемого картона (от молочных пакетов). Кружки должны быть совершенно одинаковые, и иголки надо воткнуть точно в центр, выпустив концы на одинаковое расстояние от кружков.
Налейте в глубокую стеклянную или алюминиевую (но только не в железную!) миску воду и опустите на ее поверхность две иголки в кружках острием вверх. Иголки будут хорошо держаться на воде вертикально благодаря своим поплавкам. Расположите их рядом, но чтобы кружочки-поплавки не касались друг друга и чтобы поверхностное натяжение не стягивало их. Расстояние между кружками сделайте один сантиметр. Иголки сразу же отплывут друг от друга на некоторое расстояние и замрут на месте. Это расстояние у иголок, очевидно, предельное, когда уравновешиваются магнитные силы. Подносите с большого расстояния к иголкам конец магнита. Если это будет тот же полюс, что и у концов иголок, они сразу раздвинутся еще больше.
Если это будет противоположный полюс, иголки потянутся к нему и сблизятся.
Но когда магнит уберете, иголки опять раздвинутся.
Теперь опустите на воду поплавок с третьей иголкой. Каждый поплавок с иголкой займет место в одном из углов равностороннего треугольника. Поднесите к центру треугольника сердечник изготовленного магнита или один намагниченный стерженек, сделанный из выпрямленной скрепки. Иголки либо разбегутся в разные стороны, либо соберутся вместе.
Уберите магнит — иголки опять займут свои прежние места.
Проделайте этот опыт с четырьмя, пятью, шестью иголками. Каждый раз они будут занимать определенное место по отношению друг к другу, пока между ними не наступит определенное магнитное равновесие. Три иголки образуют треугольник, четыре — квадрат, пять — либо пятиугольник, либо квадрат с одной иголкой в самом его центре.
Нужно заметить, что не всегда получается строгая геометрическая фигура расположения иголок. И степень намагниченности может быть разная, и размеры самих иголок и поплавков разные.
Проделайте этот опыт с большим количеством намагниченных иголок. Интересно, какие фигуры они образуют?
ОПЫТ С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ
С помощью ножовки или напильника приготовьте небольшое количество железных опилок. Насыпьте их на бумажку или тонкую картонку и поднесите под них сильный магнит.
При передвижении бумажки над магнитом опилки начнут создавать разные узоры. Опилки стараются расположиться вдоль магнитных силовых линий. При передвижениях бумажки эти узоры меняются. Таким образом, с помощью опилок можно как бы сделать видимым магнитное поле, точнее, его отдельные силовые линии.
МАГНИТНЫЕ КАРТИНЫ
Узоры, образованные мелкими опилками, которые располагаются вдоль силовых линий магнита, можно зафиксировать, даже сделать нечто вроде картин, так что они и в самом деле способны будут украшать внутренность комнаты.
Возьмите кусок стекла нужного для ваших целей размера и нанесите на стекло немного парафина. Дальше стекло надо аккуратно подогреть на утюге или на электроплитке, так чтобы парафин растекся тонким слоем. Можно, конечно, поступить и по-другому: слегка подогреть стекло и промазать его кисточкой с расплавленным парафином.
Теперь надо положить под стекло магнит или несколько магнитов и посыпать через ситечко железные опилки на слой расплавленного парафина. Разумеется, самые сложные и интересные узоры получатся, если магнит будет иметь сложную форму или если вам удастся по-особому расположить несколько мелких магнитов.
Поднимите стекло решительным движением вверх, затем снова подогрейте его до размягчения парафина. Когда парафин вновь застынет, опилки, «утонув» в нем, сохранят картину магнитного поля. Можно накрыть ее точно таким же куском стекла и окантовать лейкопластырем— получится необычный «эстамп».
«ПЕРЕРЕЗАНИЕ» МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ЛИНИИ
Привяжите к какой-нибудь палочке, воткнутой в пузырек, нитку с иголкой. Тот конец нитки, который вдет в иголку, завяжите узелком, чтобы нитка не выскочила из ушка. Поднесите иголку к магниту, так чтобы она, натянув нить, расположилась горизонтально, не доходя до него на расстояние одного сантиметра.
Теперь попробуйте листом бумаги «перерезать» магнитные силовые линии, которые удерживают иголку в воздухе. Иголки при этом не касайтесь! Иголка будет продолжать висеть. Даже картонка, даже монеты не смогут «перерезать» магнитные линии. Только нож или просто кусочек жести способен их «перерезать», и иголка упадет. Фактически линии, конечно, не перерезаются вовсе, но, войдя в железо или сталь, изменяют свое направление и не доходят до иголки. Иголка перестает ощущать действие силы со стороны магнита и падает.
Для этого опыта нужно было бы иметь сильный магнит: тогда иголка будет висеть в воздухе горизонтально. Из «домашних» магнитов для этого и следующего опыта вполне подходит магнитная мыльница или магнит от ненужного репродуктора.
«ИСЧЕЗНОВЕНИЕ МАГНЕТИЗМА»
К сожалению, у магнита есть враг, который лишает его силы. Этот враг — высокая температура.
Ведь как было бы хорошо заставить мощные электромагниты на заводах поднимать и переносить, например, раскаленные железные балки. Однако железо, нагретое до определенной температуры, теряет магнитные свойства, и даже самый мощный магнит его не притянет.
Опыт
Укрепите иголку, висящую на нитке, как и в предыдущем опыте, против сильного магнита. Только расстояние от конца иголки до магнита уменьшите до нескольких миллиметров. Иголка будет висеть горизонтально, удерживаемая с одной стороны ниткой, с другой стороны — притяжением магнита.
Поднесите к концу иголки горящую спичку. Иголка, нагревшись, сразу упадет. Когда она остынет, ее вновь можно будет расположить в горизонтальном положении.
Теперь попробуйте очень медленно подводить горящую спичку к концу иголки. Как только заметите, что иголка начинает опускаться, сразу убирайте спичку. Иголка, не успев сильно нагреться, вернется на свое место у магнита.
Пожалуй, лучше всего взять не нитку, а кусочек нихромовой проволоки от спирали старой электроплитки. Такая проволока и не перегорает и не намагничивается. А чтобы не обжечься, сделайте петельку на одном из ее концов, проведите сквозь эту петельку булавку, которую и воткните в пробку. К другому концу проволоки прикрепите маленький гвоздик или булавку. В остальном опыт проводится так же, как было описано выше.
"ПРИЛИПШИЙ" ВОЛЧОК
Сделай легонький волчок из кружка картона, насаженного на тонкую палочку. Нижний конец палочки заостри, а в верхний вбей булавку, да поглубже, так, чтобы только головка была видна.
Пусти волчок вертеться на столе, а сверху поднеси к нему магнит. Ближе, еще ближе. Оп-ля! Волчок подпрыгнет, и булавочная головка пристанет к магниту. Но вот что удивительно: волчок не остановится. Он будет вращаться, «вися на голове»!
Оказывается, железный волчок отталкивается от магнита!
Сделайте волчок из крышки консервной банки и заостренной палочки в качестве оси. Раскрутите волчок и поднесите к нему постоянный магнит. Как вы думаете, притянется волчок к магниту?
Не тут то было, волчок отталкивается от магнита!
Разгадка этого странного поведения волчка заключается в том, что в быстро вращающемся металлическом диске под действием магнитного поля возникают вихревые токи Фуко, взаимодействие которых с магнитом и вызывает наблюдаемый наклон диска.
МАГНИТНЫЙ МАЯТНИК
На нитке висит маленький гвоздик, недалеко от него надо установить магнит.
Как, не касаясь ни гвоздика, ни магнита, заставить гвоздик качаться подобно маятнику?
Задача решается следующим образом: надо взять ножик и то помещать его между полюсом магнита и гвоздем, то убирать.
Магнитная сила свободно проходит через все тела, кроме железа. Железо представляет собою магнитный экран. Таким образом, когда ножик помещается между полюсом магнита и гвоздем, он преграждает путь магнитным силовым линиям к гвоздю, и гвоздик висит вертикально.
Когда убираем ножик, то тем самым даем возможность силовым линиям действовать на гвоздь. Гвоздик с большей или меньшей силой притягивается к магниту и отклоняется от вертикали.
Рядом таких последовательных манипуляций удается довольно быстро привести гвоздик в колебательное движение.
Источник: Ф.Рабиза "Опыты без приборов"; журн. "Юный техник"; "забавная физика" Л. Гальперштейн
В продаже есть сувениры, в которых, помимо набора разных «безделушек», присутствуют элементы, совершающие постоянные колебания. Последнее реализовано на основе электрического маятника, делает изделия увлекательными, познавательными, подходящими для подарка по любому значимому случаю.
В электрическом маятнике колебания поддерживаются за счет присутствия в сети конденсатора и катушки индуктивности. Схема незамысловатая, ее по силам составить любому, кто имеет начальные знания по электротехнике и физике.
В простейшей схеме электрического маятника присутствует транзистор и диод. Первый любой, обладающий p-n-p переходом – можно использовать старые КТ315, МП42, взятые из каких-либо ненужных устройств. Не стоит перебирать и с выбором диода – подойдет любой. Оба прибора присутствуют в зарядном устройстве для телефона и могут быть взяты оттуда.
Соединяют между собой входы диода и транзистора. Между их перемычкой и коллектором транзистора и выходом диода устанавливают две катушки индуктивности. Выход диода подсоединяют к «плюсу» батарейки питания, эмиттер транзистора – к ее «минусу».
Используя картон, толстую бумагу, изготавливают катушку диаметром примерно равным двухрублевой монете. По краям устраивают реборды. Наматывают на нее одновременно два провода. Их диаметр 0,25…0,30 мм; количество витков – 1…1,5 тысячи.
Используют небольшую коробочку, например, из-под крема. На ее крышке, с внутренней стороны, размещают все элементы собранной схемы и закрепляют термоклеем. Источник питания – батарейку помещают вовнутрь коробочки.
Из скрепок и неодимового магнитика изготавливают маятник. Магнит небольшой, его можно заменить на ферритовый. Скрепку выпрямляют и припаивают одним концом к центру магнитика, соосно с ним. К свободному концу скрепки припаивают поперечную ось, сделанную из другой скрепки.
Из скрепок изготавливают две стойки, размещают их на коробке вертикально. На верхних концах делают V-образные опоры и опирают на них ось маятника. Магнит должен почти касаться крышки коробочки.
После сборки, при подключенной батарейке, маятник сразу начнет совершать колебания.