طراحی و ساخت المنت حرارتی فوق کم مصرف

سیزدهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید اما کار ما هنوز تمام نشده است! این دوره نیز همچون سال های گذشته دوستان بسیاری با ثبت طرح ها و ایده های خلاقانه خود در منوی "پیشنهاد موضوع" ما را در ارتقای تنوع پروژه ها یاری نموده اند. هم چون گذشته بر آن شدیم تا با گردآوری این ایده های جالب، علاوه بر قدر دانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم. فراموش نکنید که ما همیشه منتظر طرح های جدید شما عزیزان هستیم.

نام ایده: طراحی و ساخت المنت حرارتی فوق کم مصرف
نام ارائه دهنده/دهند گان: مهسا میرشمسی و فاطمه السادات موسوی لر
زمینه و نوع پروژه: فیزیک-الکترونیک
درجه سختی: دشوار
نام مدرسه: مجتمع آموزشی ابوعلی سینا

 چکیده پروژه
هدف از پژوهش حاضر طراحی و ساخت المنتی که با استفاده از براده آهن و کربن بتواند با مصرف انرژی الکتریسیته کمتر، انرژی گرمایشی بیشتری تولید کند.

 مقدمه
با توسعه جوامع و افزایش روزافزون گرایش به مصرف لوازم برقی در خانواده ها میزان مصرف برق خانگی نیز افزایش یافته است و طبق آمارها مصرف برق خانگی در ایران 5/2 برابر استاندارد جهانی است یعنی در بخش خانگی و تجاری کشور ۳۷ درصد از انرژی مصرف می شود. به همین منظور دولت تلاش دارد تا از روش های گوناگون برای کاهش مصرف برق استفاده کند، اعمال جریمه و قطع برق مشترکان پرمصرف تاکنون نتوانسته راه حل مناسبی برای مدیریت مصرف برق باشد از این رو تعریف استاندارد و میزان مصرف برق در لوازم خانگی را در دستور کار خود قرار داده و طی چند سال اخیر از طریق دستگاه های مختلف به کنترل میزان برق مصرفی در لوازم خانگی مبادرت ورزیده است. الزام صنایع تولیدی به نصب برچسب انرژی اولین گام دولت در زمینه کنترل مصرف انرژی برق در وسایل خانگی بود، اما اکنون دولت گام خود را فراتر از این برداشته و از واردات لوازم پرمصرف و بدون علامت استاندارد B و A جلوگیری می کند که طی یک ماه اخیر دستورالعمل آن صادر شده است. آنچه دولت را بر این تصمیم واداشته این است که وسایل انرژی بر خانگی ما نسبت به مدل های بهینه جهانی حداقل ۴۰ درصد بیشتر انرژی مصرف می کنند. هم اکنون بیش از ۱۸ میلیون خانوار شهری و روستایی در کشور زندگی می کنند. با پیشرفتی که در تولید و عرضه محصولات برقی رخ داده، به دنبال آن تحول فرهنگی نیز در خانواده ها ایجاد شده است. به طوری که در بسیاری از منازل ایرانی به ویژه خانوارهای شهری بیش از ۲۰ نوع وسیله برقی وجود دارد. وسایلی مانند تلویزیون، یخچال، فریزر، ماشین لباسشویی، چرخ گوشت، اتو، سیستم های صوتی، کامپیوتر، ویدئو، مایکروویو، سرخ کن، ماشین ظرفشویی، مخلوط کن، کولرهای آبی و گازی، بخاری برقی، آبمیوه گیری، سشوار، پلوپز و .... با وجود این تنوع و تعداد وسایل در خانواده ها قطعا استفاده بهینه از انرژی را ضروری تر می سازد.

 هدف
هدف از پژوهش حاضر طراحی و ساخت المنتی که با استفاده از براده آهن و کربن بتواند با مصرف انرژی الکتریسیته کمتر، انرژی گرمایشی بیشتری تولید کند.

 روش
پژوهش حاضر از لحاظ هدف کاربردی و از لحاظ روش از نوع پژوهش های آزمایشی است. دانش آموزان ابتدا یک سر دو سیم سوسماری را به منبع تغذیه وصل کردند، به عبارتی به خروجی مثبت منبع تغذیه یک سیم سوسماری و به خروجی منفی یک سیم دیگر متصل کردند. سپس طرف دیگر هر یک از سیم های سوسماری را به یک گرافیت وصل نمودند. وقتی گرافیت ها را با هم تماس دادند و شاهد ایجاد جرقه بودند. سپس یک سیم سوسماری را وارد براده آهن کرده و دیگری را که به آن گرافیت وصل بود وارد براده آهن کردند. در اینجا نیز جرقه تولید شد. با انجام این کار متوجه شدند که هرچه گرافیت به سر سیم سوسماری نزدیک تر باشد مقدار جرقه ها بیشتر است. در این آزمایش دود و پودر خاکستری رنگی تولید شد، سپس این آزمایش را با قلع نیز انجام دادند، یعنی به جای گرافیت از قلع استفاده کردند، مشاهده شد که دودی که از آزمایش قبلی (که با گرافیت انجام شده بود) ایجاد شده بود، در این آزمایش ایجاد نشد. علت به وجود آمدن دود و خاکستر می تواند سوختن کربن باشد وقتی دست به ظرف براده آهن زدند، متوجه شدند که ظرف به میزان قابل توجهی داغ شده بود. علت گرما برخورد الکترون ها با اتم های براده آهن است.

آزمایش دوم: در آزمایش دیگری دو سر سیم های سوسماری را به میله ای که جنس آن آهنی است وصل کردند و مشاهده کردند که پس از گذشت چند دقیقه میله آهنی اصلا داغ نشد، پس از این آزمایش مشخص شد که گرم شدن آهن به ساختار فیزیکی آن نیز مربوط است. براده آهن ساختار فیزیکی نامنظمی دارد. به همین دلیل در براده های آهن که ذرات با هم فاصله بسیار کمی دارند، الکترون ها بیشتر به ماده برخورد می کنند و باعث ایجاد جرقه هایی در بین هر یک از براده های آهن می شود اما در میله آهنی چون ساختار فیزیکی منظمی دارد، الکترون های آن نمی توانند به خوبی با ذرات آهن برخورد کنند و انرژی خود را انتقال دهند. با این روش دانش آموزان توانستند انرژی بیشتر را از الکترون ها به دست آورده و از اتلاف بی رویه آن جلو گیری کنند. سپس نی پلاستیکی به طول حدودی 10 سانتی متر را از براده آهن پر کردند و دو سر سیم های سوسماری که هر کدام از یک طرف به منبع تغذیه و گرافیت وصل بودند را وارد لوله نی کردند. مشاهده شد که گرمای بسیار زیادی تولید شد، در حدی که نی ذوب شد. در مرحله بعد، از نی شیشه ایی استفاده شد، مثل آزمایش قبلی نی شیشه ای را از براده آهن پر کردند. سپس گرافیت را وارد دو سر نی کردند (ولتاژ روی 20 تنظیم شده بود). جریانی که از نی عبور می کرد، 25/0 آمپر بود. پس از مدتی، حس کردند گرمای وسط نی بیشتر از دو سر آن است.

مهارت های کسب شده
1. آشنایی با شیوه انجام کار گروهی
2. آشنایی با شیوه های جستجو در اینترنت
3. آشنایی با شیوه انجام پژوهش و نوشتن مقاله
4. آشنایی با نحوه ارائه گزارش عملکرد
5. آشنایی با روش ایده یابی (توفان مغزی)
6. آشنایی با مهارت کاربرد ابزار و وسایل مورد نیاز
7. آشنایی با پروپوزال نویسی
8. آشنایی با نحوه انجام آزمایش

 دانش آموزان در پژوهش حاضر در پی ساخت چه وسیله ای بودند؟ المنت
1. المنت
2. بخاری
3. یخچال
4. کولر

 مطالب مرتبط:
گرم کننده الکتریکی با مصرف انرژی بسیار پایین
مفهوم اسپین الکترون

تهیه کننده: مهدی رحمانی - تنظیم کننده: محبوبه همت