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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Installazione ad ultrasuoni dimostrativa. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / L'elettronica nella vita di tutti i giorni L'articolo descrive la progettazione della configurazione ultrasonica più semplice progettata per dimostrare esperimenti con gli ultrasuoni. L'installazione consiste in un generatore di vibrazioni ultrasoniche, un emettitore, un dispositivo di messa a fuoco e diversi dispositivi ausiliari che consentono di dimostrare vari esperimenti che spiegano le proprietà e i metodi di utilizzo delle vibrazioni ultrasoniche. Utilizzando la configurazione ultrasonica più semplice, è possibile mostrare la propagazione degli ultrasuoni in vari mezzi, la riflessione e la rifrazione degli ultrasuoni al confine di due mezzi e l'assorbimento degli ultrasuoni in varie sostanze. Inoltre, è possibile mostrare la produzione di emulsioni oleose, la pulizia delle parti contaminate, la saldatura ad ultrasuoni, la fontana di liquido ad ultrasuoni, l'effetto biologico delle vibrazioni ultrasoniche. La fabbricazione di tale installazione può essere eseguita nei laboratori scolastici da studenti delle scuole superiori. L'attrezzatura per la dimostrazione degli esperimenti con gli ultrasuoni è composta da un generatore elettronico (Fig. 1), un convertitore al quarzo di vibrazioni elettriche in vibrazioni ultrasoniche e un recipiente con lenti (Fig. 2) per la focalizzazione degli ultrasuoni. L'alimentatore comprende solo il trasformatore di potenza Tr1, poiché i circuiti anodici delle lampade del generatore sono alimentati direttamente da corrente alternata (senza raddrizzatore). Questa semplificazione non influisce negativamente sul funzionamento del dispositivo e allo stesso tempo ne semplifica notevolmente il circuito e la progettazione. Il generatore elettronico è realizzato secondo un circuito push-pull su due lampade 6PZS collegate secondo un circuito a triodo (le griglie di schermatura delle lampade sono collegate agli anodi). Il circuito L1C2, che determina la frequenza delle oscillazioni generate, è incluso nei circuiti anodici delle lampade e la bobina di retroazione L2 è inclusa nei circuiti di griglia. Una piccola resistenza R1 è inclusa nei circuiti catodici, che determina in gran parte la modalità delle lampade.
Il segnale ad alta frequenza viene inviato al risonatore al quarzo attraverso i condensatori di accoppiamento C4 e C5. Il quarzo è posto in un contenitore ermetico di quarzo (Fig. 2) e collegato al generatore con fili lunghi 1 m.
Oltre ai dettagli considerati, nel circuito sono presenti anche condensatori C1 e C3, nonché un induttore Dr1 attraverso il quale viene applicata la tensione anodica agli anodi delle lampade. Questo induttore impedisce il cortocircuito del segnale ad alta frequenza attraverso il condensatore C1 e la capacità intergiro del trasformatore di potenza. Le principali parti casalinghe del generatore sono le bobine L1 e L2, realizzate sotto forma di spirali piatte. Per la loro fabbricazione, è necessario ritagliare un modello di legno. Da una tavola larga 25 cm vengono ritagliati due quadrati che fungono da guance della sagoma. Al centro di ciascuna guancia, è necessario praticare dei fori per un'asta di metallo con un diametro di 10-15 mm e in una delle guance deve essere praticato un foro o una scanalatura larga 3 mm per il fissaggio dell'uscita della bobina. Un filo viene tagliato su un'asta di metallo ad entrambe le estremità e le guance vengono poste tra due dadi a una distanza pari al diametro del filo avvolto. Su questo, la fabbricazione della dima può considerarsi completa e procedere all'avvolgimento delle bobine. L'asta di metallo viene fissata a un'estremità in una morsa, il primo giro (interno) del filo viene posizionato tra le guance, dopodiché i dadi vengono serrati e l'avvolgimento continua. La bobina L1 ha 16 spire e la bobina L2 ha 12 spire di filo di rame con un diametro di 3 mm. Le bobine L1 e L2 vengono realizzate separatamente, quindi poste una sopra l'altra su una traversa di textolite o plastica (Fig. 3). Per conferire maggiore robustezza alle bobine, gli incavi vengono praticati nelle croci con un seghetto o una lima. Per fissare le bobine, una di esse deve essere premuta dall'alto con una seconda croce (senza rientranze) e la seconda deve essere posizionata direttamente su una lastra di vetro organico, getinaks o plastica, montata su un telaio metallico del generatore.
L'induttore ad alta frequenza è avvolto su un telaio in ceramica o plastica con un diametro di 30 mm con un filo PELSHO-0,25 mm. L'avvolgimento viene eseguito alla rinfusa in sezioni di 100 giri ciascuna. In totale, l'acceleratore ha 300-500 giri. In questo progetto viene utilizzato un trasformatore di alimentazione autocostruito, realizzato su un nucleo di piastre Sh-33, lo spessore del set è di 33 mm. L'avvolgimento di rete contiene 544 giri di filo PEL-0,45. L'avvolgimento di rete è progettato per essere collegato a una rete con una tensione di 127 V. Nel caso di utilizzo di una rete con una tensione di 220 V, l'avvolgimento I deve contenere 944 spire di filo PEL-0,35. L'avvolgimento step-up ha 2980 giri di filo PEL-0,14 e l'avvolgimento del filamento delle lampade ha 30 giri di filo PEL-1,0. Tale trasformatore può essere sostituito da un trasformatore di potenza del marchio ELS-2, utilizzando esclusivamente l'avvolgimento di rete, l'avvolgimento del filamento delle lampade e l'avvolgimento step-up completamente, o da qualsiasi trasformatore di potenza con una potenza di almeno 70 VA e con un avvolgimento step-up, che fornisce un carico di 470 V agli anodi delle lampade 6PZS. Il porta quarzo è in bronzo secondo il disegno posto in fig. 4. Nella custodia, mediante un trapano del diametro di 3 mm, viene praticato un foro a forma di L per far uscire il filo l. Nella custodia viene inserito un anello di gomma e, che serve ad attutire e isolare il quarzo. L'anello può essere ritagliato da una normale gomma da matita. L'anello di contatto b è ricavato da una lamina di ottone di 0,2 mm di spessore. Questo anello ha una linguetta per saldare il filo. Entrambi i fili l e e devono avere un buon isolamento. Il filo e viene saldato alla flangia di supporto O. Si sconsiglia di attorcigliare i fili insieme.
Il vaso della lente è costituito da un cilindro e e da una lente ultrasonica b (Fig. 5). Il cilindro è piegato da una lastra di plexiglass di 3 mm di spessore su una dima di legno rotonda di 19 mm di diametro.
La piastra viene riscaldata su una fiamma fino a quando non si ammorbidisce, piegata secondo uno schema e incollata insieme all'essenza di aceto. Il cilindro incollato viene legato con fili e lasciato asciugare per due ore. Successivamente, le estremità terminali del cilindro vengono allineate con carta vetrata e i fili vengono rimossi. Per fabbricare una lente ultrasonica b, è necessario realizzare un dispositivo speciale (Fig. 6) da una sfera d'acciaio con un diametro di 18-22 mm da un cuscinetto a sfere. La palla deve essere ricotta riscaldandola a fuoco rosso e raffreddandola lentamente. Successivamente, viene praticato un foro con un diametro di 6 mm nella sfera e viene tagliata una filettatura interna. Per fissare questa palla nel mandrino di un trapano, è necessario realizzare un'asta con un filo a un'estremità da un'asta.
L'asta con la sfera avvitata viene fissata nel mandrino della macchina, la macchina viene accesa a velocità media e premendo la sfera in una lastra di vetro organico di 10-12 mm di spessore, si ottiene la rientranza sferica richiesta. Quando la palla si approfondisce a una distanza uguale al suo raggio, la perforatrice viene spenta e, senza smettere di premere sulla palla, viene raffreddata con acqua. Di conseguenza, nella lastra di vetro organico si ottiene un incavo sferico della lente ultrasonica. Un quadrato con un lato di 36 mm viene ritagliato con un seghetto da una piastra con una rientranza, la sporgenza anulare formata attorno alla rientranza viene livellata con carta vetrata a grana fine e la piastra viene rettificata dal basso in modo che rimanga un fondo spesso 0,2 mm al centro della rientranza. Quindi i punti graffiati con carta vetrata vengono lucidati alla trasparenza e gli angoli vengono tagliati al tornio in modo che l'incavo sferico rimanga al centro della lastra. Sul lato inferiore della lastra è necessario realizzare una sporgenza di 3 mm di altezza e 23,8 mm di diametro per centrare la lente sul supporto del quarzo. Dopo aver inumidito abbondantemente una delle estremità del cilindro con essenza acetica o dicloroetano, viene incollata alla lente ultrasonica in modo che l'asse centrale del cilindro coincida con l'asse passante per il centro della lente. Dopo l'asciugatura, vengono praticati tre fori nella nave incollata per le viti di regolazione. È meglio ruotare queste viti con un cacciavite speciale fatto di filo ordinario lungo 10-12 cm e diametro 1,5-2 mm e dotato di un'impugnatura in materiale isolante. Dopo la fabbricazione di queste parti e l'installazione del generatore, è possibile iniziare a configurare il dispositivo, che di solito si riduce a sintonizzare il circuito L1C2 in modo che risuoni con la frequenza naturale del quarzo. La lastra di quarzo in (Fig. 4) deve essere lavata con sapone in acqua corrente e asciugata. L'anello di contatto b viene pulito dall'alto per renderlo brillante. Appoggiare delicatamente una piastra di quarzo sopra l'anello di contatto e, dopo aver fatto cadere alcune gocce di olio per trasformatori sui bordi della piastra, avvitare il coperchio d in modo che prema la piastra di quarzo. Per indicare le vibrazioni ultrasoniche, le rientranze aed sul coperchio sono riempite con olio per trasformatori o cherosene. Dopo aver acceso l'alimentazione e aver riscaldato per un minuto, ruotare la manopola di sintonia e ottenere la risonanza tra le oscillazioni dell'oscillatore a piastra di quarzo. Al momento della risonanza si osserva il massimo rigonfiamento del liquido versato nella rientranza sul coperchio. Dopo aver impostato il generatore, puoi iniziare a dimostrare gli esperimenti.
Una delle dimostrazioni più efficaci è la produzione di una fontana di liquido sotto l'influenza di vibrazioni ultrasoniche. Per ottenere una fontana di liquido è necessario posizionare il vaso “lente” sopra il supporto di quarzo in modo che non si formi alcun accumulo di bolle d'aria tra il fondo del vaso “lente” e la piastra di quarzo. Quindi dovresti versare la normale acqua potabile nel recipiente della lente e un minuto dopo aver acceso il generatore, una fontana ad ultrasuoni apparirà sulla superficie dell'acqua. L'altezza della fontana può essere modificata mediante viti di regolazione, avendo precedentemente regolato il generatore mediante il condensatore C2. Con la corretta predisposizione dell'intero sistema è possibile ottenere una fontanella con un'altezza di 30-40 cm (Fig. 7).
Contemporaneamente all'apparizione della fontana appare la nebbia d'acqua, risultato di un processo di cavitazione accompagnato da un caratteristico sibilo. Se invece dell'acqua nel recipiente della "lente" viene versato olio del trasformatore, la fontana aumenta notevolmente in altezza. L'osservazione continua della fontana può essere effettuata finché il livello del liquido nel recipiente “lente” non scende a 20 mm. Per osservare a lungo la fontana è opportuno proteggerla con un tubo di vetro B, lungo le cui pareti interne possa rifluire il liquido zampillante. Quando le vibrazioni ultrasoniche influenzano un liquido, al suo interno si formano bolle microscopiche (il fenomeno della cavitazione), che è accompagnato da un significativo aumento della pressione nel punto di formazione delle bolle. Questo fenomeno porta alla distruzione di particelle di materia o di organismi viventi presenti nel liquido. Se metti un piccolo pesce o una dafnia "in un vaso con lenti" con acqua, dopo 1-2 minuti di irradiazione ultrasonica moriranno. La proiezione di un vaso “lente” con acqua sullo schermo consente di osservare costantemente tutti i processi di questa esperienza davanti a un vasto pubblico (Fig. 8).
Utilizzando il dispositivo descritto, è possibile dimostrare l'uso degli ultrasuoni per pulire piccole parti dalla contaminazione. Per fare ciò, una piccola parte (un ingranaggio di un orologio, un pezzo di metallo, ecc.), riccamente lubrificata con grasso, viene posta alla base della fontana di liquido. La fontana diminuirà notevolmente e potrebbe interrompersi del tutto, ma la parte contaminata viene pulita gradualmente. Va notato che la pulizia ad ultrasuoni delle parti richiede l'uso di generatori più potenti, pertanto è impossibile pulire l'intera parte contaminata in un breve periodo di tempo ed è necessario limitarsi a pulire alcuni denti. Utilizzando il fenomeno della cavitazione si può ottenere un'emulsione oleosa. Per fare ciò, l'acqua viene versata nel recipiente della "lente" e sopra viene aggiunto un po' di olio per trasformatori. Per evitare schizzi dell'emulsione, è necessario coprire il contenitore della lente con il contenuto con vetro. Quando il generatore viene acceso si forma una fontana di acqua e olio. Dopo 1-2 minuti. irradiazione, nel vaso della lente si forma un'emulsione lattiginosa stabile. È noto che la propagazione delle vibrazioni ultrasoniche nell'acqua può essere resa visibile e alcune delle proprietà degli ultrasuoni possono essere chiaramente dimostrate. Ciò richiede una vasca con un fondo trasparente e uniforme e il più grande possibile, con un'altezza laterale di almeno 5-6 cm La vasca è posizionata sopra l'apertura nel tavolo dimostrativo in modo che l'intero fondo trasparente possa essere illuminato dal basso . Per l'illuminazione è bene utilizzare una lampadina elettrica da automobile da sei volt come fonte di luce puntiforme per proiettare i processi in studio sul soffitto dell'auditorium (Fig. 9).
Puoi anche utilizzare una normale lampadina a basso consumo. L'acqua viene versata nel bagno in modo che la lastra di quarzo nel supporto di quarzo, quando posizionata verticalmente, sia completamente immersa in esso. Successivamente è possibile accendere il generatore e, spostando il supporto al quarzo da una posizione verticale a una inclinata, osservare la propagazione del raggio ultrasonico nella proiezione sul soffitto dell'auditorium. In questo caso, il supporto al quarzo può essere trattenuto dai fili l e c ad esso collegati, oppure può essere prefissato in un supporto speciale, con l'aiuto del quale è possibile modificare agevolmente gli angoli di incidenza del raggio ultrasonico in i piani verticale e orizzontale. Il fascio ultrasonico si osserva sotto forma di punti luminosi posizionati lungo la propagazione delle vibrazioni ultrasoniche nell'acqua. Posizionando qualsiasi ostacolo sul percorso del raggio ultrasonico, è possibile osservare la riflessione e la rifrazione del raggio. L'impostazione descritta consente altri esperimenti, la cui natura dipende dal programma studiato e dall'attrezzatura della classe. Come carico del generatore possono essere incluse le piastre di titanato di bario e, in generale, tutte le piastre che hanno un effetto piezoelettrico a frequenze da 0,5 MHz a 4,5 MHz. Se sono presenti piastre per altre frequenze, è necessario modificare il numero di giri negli induttori (aumento per frequenze inferiori a 0,5 MHz e diminuzione per frequenze superiori a 4,5 MHz). Quando si altera il circuito oscillatorio e la bobina di feedback a frequenze di 15 kHz, è possibile accendere qualsiasi convertitore magnetostrittivo con una potenza non superiore a 60 VA anziché al quarzo Autore: V. Krasnyuk; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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