Электрофорная машина: конструкция, индукционные нейтрализаторы

Введение

История исследования и открытий в области электричества тесно связана с использованием разнообразных конструкций электрических машин устройств, для получения электрических зарядов, называемых также электростатическими машинами. Конструкция электростатических машин основана на принципе получения электрической энергии за счет механической работы, затрачиваемой при приведении в движение (вращение) подвижных частей машины, в первую очередь, на преодоление сил притяжения или отталкивания, действующих в каждый момент между разноименно и одноименно наэлектризованными движущимися частями машины.
Изучение принципов действия электростатических машин, подразделяемых на машины трения и электрофорные машины, способствовало лучшему пониманию природы электричества, поэтому они являлись не только устройствами для получения больших электрических зарядов, но и научно-исследовательскими стендами.

В отличие от машин трения действие электрофорных машин основано на возбуждении электричества благодаря явлению индукции, т.е. без непосредственного соприкосновения вызывающих электризацию частей машины.

В данной курсовой работе с помощью электрофорной машины я продемонстрирую изучение основ электродинамики и электростатики, характер распределения зарядов на поверхности проводника, введение понятия «электроёмкость» с помощью электрофорной машины.

§4 Изготовление электрофорной машины в домашних условиях.

Для изготовления электрофорной машины мне понадобились следующие материалы:

— CD диски, две штуки; — алюминиевый скотч; — пластиковая карта; — компьютерные куллеры, две штуки; — ДСП; — оргстекло; — алюминиевая проволока , диаметром 4 мм, 2 мм; — медная проволока 0,5 мм и 2 мм; — двухсторонний скотч; — лейденские банки или не полярные конденсаторы; — тетрадный лист; — контакты для крепления проводов; — Г-образные (2 шт) стойки (уголки); — резиновые ножки;

— адаптер;

— изолента;

— саморезы; — болты с гайками;

-тонколистовой металл;

Единицы измерения электрического заряда

— клемные соединения;

— крепеж для электропроводов.

Первая деталь это диски, на которых будет образовываться статический заряд. Для этого возьму 2 штуки CD дисков.

Прежде всего, нам снимаю с него покрытие.

Далее наклеиваю на него алюминиевые лепестки. Мне нужно 80 лепестков на два диска.

Вырезаю их из алюминиевого скотча и ровно наклеиваю лепестки.

Вторая деталь – электропривод, делаю его из кулера от компьютера.

От куллера отрываю жёлтый провод, в дальнейшем он не понадобится

Дальше нужно отсечь рёбра жёсткости, т.е. отсоединяю мотор от корпуса куллера.

Вопрос 7. что вы знаете о лейденской банке
Читайте также: Какая разница между аналоговым и цифровым сигналом

Теперь от моторчика отрываю все лопасти, они не нужны (рисунок 13).

Далее куллер буду крепить на выпиленный кусок оргстекла, в котором тоже сверлю отверстия.

Приклеиваю моторчик к оргстеклу (далее планка) .

Делаю те же самые операции для второго куллера.

Делаю конденсаторы из банок

Обклеиваю внутри и снаружи банку алюминиевым скотчем.

Основание электрофорной машины сделала из ДСП.

На деревянном основании закрепляю Г-образные уголки, напротив друг друга.

Все компоненты машины готовы, перехожу к сборке.

Работа электрического поля при перемещении заряда. принцип действия

На двухсторонний скотч приклеиваю резиновые ножки к деревянному основанию по углам.

На уголки прикручиваю планку с моторчиком.

На моторчик с помощью скотча приклеиваю диски.

Точно по центру.

То же самое делаем со вторым моторчиком.

Подробнее остановлюсь на контактах, рамках, изготавливаю их из алюминиевой проволоки. Все по 2-е детали.

Изгибаем проволоку и в двух местах. На концах в этих местах сверлю дырки для изготовления контактов. На концах из тонкой медной проволоки сделаны контакты. С помощью контактов будем снимать электрический ток и напряжение с дисков.

Вторая рамка, в виде неполной буквы «Р». Контакты так же делаю из проволоки, которые крепятся в просверленные отверстия .

Электроды, сделала из проволоки, на конце изогнутые ручки обмотанные изолентой. Для крепления использую клемные соединения .

Монтаж деталей.

Прикручиваю Z-рамку к планке, а контактами прижимаем к диску.

Монтирую Р-образную рамку, креплю ее к конденсатору из банки, соединяю с электродами. Электроды могут двигаться относительно друг друга.

Теперь проверяем наши сборные элементы и подкручиваем, чтобы ничего не болталось.

Соединяем провода электродвигателей и прикручиваем к проводам адаптера.

Как происходит накопление заряда?

Предположим, что первый круг имеет недостаток свободных зарядов, что в нашем случае означает недостаток свободных электронов в металлических пластинах. При движении второго диска его пластины будут поочередно соприкасаться со щетками на проводнике 8, и, соответственно, на них будет образован избыток свободных носителей зарядов.

Это происходит потому, что пластины с обоих сторон, между которыми расположен диэлектрик (материал дисков), представляют собой плоский конденсатор, но такой конденсатор, обкладки которого двигаются. Электрический заряд на таком конденсаторе индуцируется, или иначе говоря — наводится.

. Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее. Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении. Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд
+Q
.

Чем чаще пластины обоих дисков соприкасаются со щетками на проводниках 6 и 7, тем большее количество зарядов накапливается на них. Лейденские банки, если они установлены, будут заряжаться всё сильнее и сильнее, до тех пор, пока кулоновские силы не начнут противодействовать дальнейшему накоплению зарядов. Это значит, что есть предел накопления, который можно характеризовать также и разностью потенциалов (напряжением) между двумя контактами 6 и 7.

Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q

и
-Q
, либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.

Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд?

Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.

Электрофорная машина Вимшурста является машиной с самовозбуждением, то есть для начала ее работы не требуется подвод какого-либо дополнительного заряда.

Потенциальная энергия

Сила называется потенциальной, если существует скалярная функция координат, известная как потенциальная энергия и обозначаемая Ep{\displaystyle E_{p}}, такая, что

F→=−∇Ep.{\displaystyle {\vec {F}}=-\nabla E_{p}.}

Если все силы, действующие на частицу, консервативны, и Ep{\displaystyle E_{p}} является полной потенциальной энергией, полученной суммированием потенциальных энергий, соответствующих каждой силе, тогда:

F→⋅Δs→=−∇→Ep⋅Δs→=−ΔEp⇒−ΔEp=ΔEk⇒Δ(Ek+Ep)={\displaystyle {\vec {F}}\cdot \Delta {\vec {s}}=-{\vec {\nabla }}E_{p}\cdot \Delta {\vec {s}}=-\Delta E_{p}\Rightarrow -\Delta E_{p}=\Delta E_{k}\Rightarrow \Delta (E_{k}+E_{p})=0}.

Этот результат известен как закон сохранения механической энергии и утверждает, что полная механическая энергия в замкнутой системе, в которой действуют консервативные силы,

∑E=Ek+Ep{\displaystyle \sum E=E_{k}+E_{p}}

является постоянной во времени. Этот закон широко используется при решении задач классической механики.

Каков принцип работы электрофорной машины

Из силы оператора берется энергия для смены знаков. Уже между уравнителями и щетками диски двигаются со взаимным отталкиванием навстречу друг другу. Свою роль играет количество оборотов в минуту. Повышена плотность заряда. Сильнейший заряд противолежащих дисков выталкивает остатки через отрезки медной проволоки. Из этого вытекает энергия, достаточная для смены знака.

Watch this video on YouTube

За счет повышения показателей поверхностной плотности происходит съем заряда в приборе. В единичной точке делаются энергетические запасы в банке Лейдена, другое место служит для изменения знака. Индукционные нейтрализаторы практически не имеют отличий. Они оба выполняют общую функцию нейтрализации энергии. Общая схема:

Существует 2 типа конденсаторов в конструкции: банки Лейдена, где заряд накапливается, и комбинация сегмента обоих дисков с диэлектриком и алюминиевой обкладкой.
Понижением заряда алюминиевых сегментов занимаются 2 вида нейтрализаторов. Первый используется для смены знака или поляризации, второй для зарядки лейденовской банки.

Вся энергия поступает не от трения алюминия и меди или электризации воздуха. Она создается за счет принудительных наполнений конденсаторов силой кручения диска. Все процессы выполняются благодаря резкому повышению в точках съема поверхностной плотности зарядов.

Watch this video on YouTube

Объяснение принципа работы

Энергия для смены знака на уравнителе берется из силы оператора. Помните, уже между щетками и уравнителями диски движутся друг другу навстречу со взаимным отталкиванием. Плотность заряда повышена. Принцип действия уравнителя не отличается от съемника. Более сильный заряд противолежащего диска буквально выталкивает через медную проволоку остатки на разряжаемом, и энергии хватает на смену знака.

В машине происходит съем заряда за счет повышения поверхностной плотности. В одной точке энергия запасается в лейденские банки, в другой служит для смены знака. Причём индукционные нейтрализаторы, видимо, некогда не отличались друг от друга. Оттого возникает путаница с названиями. По сути оба – нейтрализаторы. Если бы замыкающую проволоку из меди со съемными щетками назвали уравнителем, каламбур бы исчез. Повторим подробно:

В конструкции два типа конденсаторов. Во-первых, к указанному классу относятся лейденские банки как накопители заряда. Во-вторых, каждый сегмент обоих дисков считается конденсатором с алюминиевыми обкладками и диэлектриком между ними.
В машине два типа нейтрализаторов по сути их действия – понижающих заряд алюминиевых сегментов. Первый служит для заряда лейденских банок, второй – для поляризации (смены знака).

Вся энергия в конечном итоге берется не от электризации воздухом или трением меди и алюминия, их расстыковки. Нет! Энергия получается за счет принудительного наполнения конденсаторов силой кручения дисков. А выполняются процессы за счет резкого повышения поверхностной плотности зарядов в точках съема.

Принцип действия электрофорной машины

Электрофорная машина двойного вращения состоит из двух встречно вращающихся дисков. На обоих дисках находятся проводящие сегменты, которые изолированы друг от друга. Две обкладки с обоих сторон дисков вместе образуют по одному конденсатору. Из-за этого ее еще иногда называют — конденсаторной машиной. На каждом диске находятся также по нейтрализатору, который отводит заряд щетками с двух противоположных сегментов диска на землю. С левой и правой стороны дисков находятся коллекторы. В них поступают сгенерированные заряды снятые гребенками с краев как переднего, так и заднего диска. В большинстве случаев заряды собираются в конденсаторы, такие как, например, Лейденская банка для произведения более сильных искр. Перед началом эксплуатации необходимо наэлектризовать оправы разноименными зарядами (например, р +, а р» -). Эти оправы (полоски) в соответствии с явлением индукции будут действовать на вращающийся диск В (рисунок 2), а через него на гребенки О и О», при этом р, обладая положительным зарядом, вызовет через влияние появление отрицательного заряда в части m диска В и притянет тот же заряд из гребенки О, который отложится в части m» диска В.

Рисунок 2

Таким образом, диск В электризуется отрицательно на обеих своих сторонах в m и m», в то время как гребенка О и кондуктор Сг заряжаются положительно. По мере вращения диска m и m» перемещаются к окну F», где поверхность m» усиливает влияние полоски р», притягивая из гребенки С» положительный заряд, заряжая гребенку О» и кондуктор С»г» отрицательно. В свою очередь m, оказывая индуктивное воздействие на полоску р», притягивает положительный заряд, поддерживая ее в отрицательном состоянии. Затем части m и m» снова проходят перед окном F и т.д., повторяя последовательно описанный процесс.

Электрофорная машина работает как непрерывный Этот прибор используют зачастую как вспомогательный для демонстраций различных и эффектов. Но какова его конструкция и особенности?

§2 Устройство и принцип работы машины

Электрофорная машина двойного вращения состоит из двух встречно вращающихся дисков. На обоих дисках находятся проводящие сегменты, которые изолированы друг от друга. Две обкладки с обеих сторон дисков вместе образуют по одному конденсатору. Из-за этого ее еще иногда называют – конденсаторной машиной. На каждом диске находятся также по нейтрализатору, который отводит заряд щетками с двух противоположных сегментов диска на землю. С левой и правой стороны дисков находятся коллекторы. В них поступают сгенерированные заряды снятые гребенками с краев. как переднего, так и заднего диска. В большинстве случаев заряды собираются в конденсаторы, такие как, например, Лейденская банка для произведения более сильных искр. Перед началом эксплуатации необходимо наэлектризовать оправы разноименными зарядами (например, р +, а р’ -). Эти оправы (полоски) в соответствии с явлением индукции будут действовать на вращающийся диск В, а через него на гребенки О и О’, при этом р, обладая положительным зарядом, вызовет через влияние появление отрицательного заряда в части m диска В и притянет тот же заряд из гребенки О, который отложится в части m’ диска В.

Таким образом, диск В электризуется отрицательно на обеих своих сторонах в m и m’, в то время как гребенка О и кондуктор Сг заряжаются положительно. По мере вращения диска m и m’ перемещаются к окну F’, где поверхность m’ усиливает влияние полоски р’, притягивая из гребенки С’ положительный заряд, заряжая гребенку О’ и кондуктор С’г’ отрицательно. В свою очередь m, оказывая индуктивное воздействие на полоску р’, притягивает положительный заряд, поддерживая ее в отрицательном состоянии. Затем части m и m’ снова проходят перед окном F и т.д., повторяя последовательно описанный процесс.

Для начала нужно посмотреть из чего состоит электрофорная машина:

Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие сегменты (рисунок 1). Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Предположим, что сегмент A1 вначале несёт небольшой избыточный положительный заряд, а сегмент B1 — отрицательный. Когда A1 движется влево, а B1 — вправо, их потенциалы растут за счёт работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения.

Когда A1 достигает положения напротив сегмента B2 пластины B, который в этот момент контактирует со щёткой Y, он будет под высоким положительным потенциалом и, таким образом, вызовет разделение заряда в проводнике, соединяющем Y и Y1, перенеся большой отрицательный заряд на B2 и большой положительный заряд на удалённый сегмент, которого в этот момент касается щётка Y1.

Двигаясь дальше, A1 касается щётки Z и частично разряжается во внешнюю цепь (нагрузкой может быть, например, лейденская банка). При последующем вращении дисков, А1 касается щётки X, которая связана проводником со щёткой X1, и снова получает заряд, на этот раз отрицательный, который отталкивается отрицательно заряженным сегментом B2 (находящимся в этот момент напротив сегмента на диске А, контактирующего со щёткой X1). Таким образом, положительный заряд переносится справа налево верхней частью диска А, а отрицательный слева направо его нижней частью.

§5 Испытание машины.

Демонстрация экспериментов электрических законов с применением электрофорной машины Вимшурста.

Для изучения электричества и его законов в школе на уроках физики удобно все связать с наглядностью. С этой целью нам удобно использовать электрофорную машину. Это своего рода источником электрических зарядов.

Она очень удобна и практична, поскольку в виду своего малого размера способна выдавать достаточно большое напряжение на концах кондукторов, порядка нескольких сотен тысяч вольт. И с этой целью мне бы хотелось продемонстрировать ряд экспериментов, в который электрофорная машина занимает главное место.

Из чего состоит электрофорная машина?

Экспериментальный набор состоит из пластмассовых дисков с алюминиевыми зонами, щеток, лейденских банок с подключением к кондукторам, изолированных ручек, ременных передач и металлических гребешков.

Общая конструкция зафиксирована прочными пластмассовыми стойками и установлена на деревянной подставке. Необходимо знать, что на качество результата способна повлиять температура и влажность воздуха. Минимальное расстояние появления электрического заряда составляет минимум 30 мм.

Все тонкости работы с оборудованием четко описаны в заводской инструкции, которая входит в комплект поставок

После завершения эксперимента крайне важно замкнуть раздрядники для нейтрализации заряда

История

Электрофорная машина была разработана в 1865 году[источник не указан 19 дней

] немецким физиком-экспериментатором Августом Тёплером. В 1865 году свою машину изобрёл другой немецкий физик Вильгельм Хольц (Гольц). Машина Гольца по сравнению с машиной Тёплера позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока. В то же время она имела более простую конструкцию. Между и 1883 годами её усовершенствовал английский изобретатель Джеймс Уимсхёрст (англ.). Используемые в настоящее время для демонстраций электрофорные машины представляют собой модификации машины Уимсхёрста.

Модифицированная электрофорная машина была построена также инженером Тепловым М. Н. Теория и конструкция были опубликованы в книге «Теория и новая конструкция электрофорных машин инженер-полковника М. Н. Теплова.» в 1875 г.

Немного из истории изобретения

Электрофорная машина разработана в далеком тысяча восемьсот шестьдесят пятом году Августом Теплером, немецким физиком. Что любопытно, совершенно независимо другой ученый-экспериментатор Вильгельм Гольц изобрел подобную конструкцию, но даже более совершенную, так как его аппарат позволял получить большие значения разностей потенциалов и мог служить источником постоянного тока. К тому же гольцевская машина была намного более простой в конструкции. В конце девятнадцатого века английский экспериментатор в области электричества и механики Джеймс Вимшурст усовершенствовал агрегат. И по сегодняшний день именно его вариант (пусть и чуть более современный) используется для демонстраций электродинамических опытов благодаря способности создавать огромную разность потенциалов между коллекторами. Электрофорная машина была улучшена уже в сороковых годах двадцатого века ученым по фамилии Иоффе, который разработал новый тип электростатических генераторов для осуществления питания рентгеновской установки. Хотя машину Вимшурста сейчас не используют для непосредственной задачи добычи электрической энергии, она является историческим экспонатом, который иллюстрирует историю развития инженерной мысли и научно-технического прогресса.

Что такое банки Лейдена?

Во многих случаях заряды накапливаются на конденсаторах. Их называют банками Лейдена. После этого возможно воспроизведение намного более сильных разрядов и искр. Внутренние обкладки каждого конденсатора соединяются с кондукторами по отдельности. Щетки, которые касаются секторов дисков, объединены с внутренними обкладками банок Лейдена. Вся конструкция на сегодняшний день монтируется на пластмассовых стойках. Вместе с лейденовскими банками части машины закрепляются на подставке из дерева. Учитывая наглядность конструкции, электрофорная машина своими руками может быть сделана достаточно просто. Даже человек, который не имеет специального технического образования, может ее собрать и эксплуатировать в свое удовольствие.

Какие превращения происходят в электрофорной машине?

Эксперимент с электрофорной машиной проводится на уроках, предназначенных для создания базовых теоретических представлений об электротоке, основных условиях его образования и продолжительного существования, различных источниках появления тока. Чтобы рассмотреть основные способы образования тока, школьникам следует знать, какие превращения энергии происходят в электрофорной машине.

Распределение зарядов осуществляется благодаря воздействию механической энергии. В момент вращения основных дисков осуществляется трение специальных щеточек о дисковую поверхность, что вызывает возникновение разных зарядов. Завершающим результатом эксперимента является зарядка одного электрода устройства положительным током, а второго – отрицательным. В момент приближения разных электродов появляется кратковременный ток в виде электрического разряда.

Что такое банки Лейдена

Первым электрическим конденсатором, созданным учеными из Голландии Питером ван Мушенбруком, была лейденская банка. Изобретенный конденсатор имеет форму цилиндра с широким или средним горлом разного диаметра. Лейденскую банку делают из стекла. Изнутри и снаружи она оклеена специальным листовым оловом. Прикрывается изделие деревянной крышкой. Главной функцией изобретения является накопление и хранение больших зарядов.

Стимулировало создание такой банки широкое изучение электричества, общей скорости его распространения, а также свойств проводимости электроэнергии различных материалов. Благодаря ей получилось впервые добыть электрическую искру искусственным путем. Сейчас банки Лейдена применяются только как неотъемлемая часть электрофорных машин.

Что такое электрофорная машина и как она работает?

Генератор Вимшурста или электрофорная машина – это индукционный электростатический прибор, созданный как непрерывный источник электрической энергии. В XXI веке используется как вспомогательная техника для демонстрации физических опытов, касающихся различных электрических эффектов и явлений.

Немного из истории изобретения

В 1865 г. физик-экспериментатор из Германии Август Теплер разработал итоговые чертежи электрофорной машины. Одновременно с этим было сделано второе независимое открытие подобного агрегата немецким ученым Вильгельмом Хольцем. Главным отличием прибора была возможность получать большую мощность и разность потенциалов. Хольц считается создателем источника постоянного электрического тока.

Простая начальная конструкция применения электрофорной машины в 1883 г. была усовершенствована Джеймсом Уимсхерстом из Англии. Его модификация используется во всех физических лабораториях для наглядной демонстрации опытов.

Что такое банки Лейдена

Описание машины Вимшурста

Машина состоит из двух дисков, которые выполнены из хорошего диэлектрика, например эбонита, акрила и т.п. Эти диски свободно насажены на ось и могут вращаться вокруг горизонтальной оси. Сами диски располагаются вертикально. С помощью рукоятки 1 оба диска приводятся в разнонаправленное вращение. Один диск вращается по часовой стрелки, а другой против часовой. Это обеспечивается с помощью приводных ремней 2 и 3, один из которых перекручен на 180° на одном из шкивов. За счет этого обеспечивается разнонаправленное вращение дисков, которое необходимо для индукции зарядов. Оба диска вращаются от одной рукоятки и поэтому будут вращаться одновременно.

На наружной части каждого диска наклеены металлические полоски 4, которые не касаются краев диска, а выполнены на некотором расстоянии от них. Полоски расположены радиально, в виде лучей, исходящих из центра диска. Оба диска имеют одинаковое количество и расположение полосок, можно сказать, что один диск является отражением другого.

Полоски при вращении дисков соприкасаются со щётками 5, которые выполняют роль контакта для переноса заряда по проводникам 6, 7, 8 и 9. При работе машины Вимшурста металлические полоски в месте контакта со щетками могут изнашиваться и конструктивно этот износ должен быть сведен к минимуму, а надежность контакта к максимуму. Проводники 6 и 7 служат для съема и накопления образованных зарядов с обоих дисков. Проводники 8 и 9 расположены каждый по одну сторону диска и соединяют диаметрально противоположные полоски.

Таким образом мы имеем два типа проводников. Одни (6 и 7) для съема зарядов, а 8 и 9 для установления своеобразной «земли» — линии нейтрального потенциала. Проводники 6 и 7 расположены на одной геометрической диаметральной оси относительно дисков, а проводники 8 и 9 относительно друг друга повернуты на угол 90°.

Можно также заметить, что между проводниками 8 и 9 проводники 6 и 7 расположены по середине и отстоят на угол 45°. Таким образом мы видим, что конструктивно машина выполнена симметрично и достаточно просто, чтобы изготовить ее самостоятельно.

Электрофорная машина (генератор Вимшурста) Wimshurst

Генератор Вимшурста (Wimshurst) является индукционной электростатической машиной. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. У этого класса машин выше КПД в сравнении с теми, где используется трение.

Описание машины Вимшурста

Таким образом мы имеем два типа проводников. Одни (6 и 7) для съема зарядов, а 8 и 9 для установления своеобразной «земли» – линии нейтрального потенциала. Проводники 6 и 7 расположены на одной геометрической диаметральной оси относительно дисков, а проводники 8 и 9 относительно друг друга повернуты на угол 90°.

Описание работы электрофорной машины

При вращении рукоятки диски начинают двигаться в противоположных направлениях.

Щетки, которые обычно выполняются в виде мишуры начинают контактировать то с одними, то с последующими металлическими полосками.

С каждым оборотом начинает накапливаться всё больший и больший заряд, что обеспечивает увеличение потенциала на контактах 6 и 7. Для лучшего накопления используют конденсаторы в виде лейденских банок.

Как только накопленный заряд достигает максимального значения для используемой конструкции машины Вимшурста, дальнейший рост заряда прекращается. Чем больше диаметра дисков и чем больше скорость вращения, тем больший заряд способна выработать электрофорная машина.

Как происходит накопление заряда?

Дальше происходит следующее. Пластины, второго диска, дойдя до щеток контакта 6 отдадут свои электроны в накопитель в виде лейденской банки (конденсатор). Эта лейденская банка будет накапливать заряд -Q . Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее. Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении. Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд +Q .

Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q и -Q , либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.

Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд? Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.

Является ли машина Вимшурста генератором энергии?

Более точно можно сказать, что машина Вимшурста является преобразователем механической энергии вращения в энергию электростатического поля. При работе такой машины, как впрочем и любой другой, существуют потери на трение, утечки энергии и т.п. Поэтому ее КПД не может быть более 100%, и даже он не может быть равен 100%.

По мере роста разности потенциалов, чем всё больший заряд будет накапливаться, тем сильнее кулоновские силы будут противодействовать механическим. На практике это означает, что с каждым оборотом дисков будет расти прикладываемое усилие. Кроме этого будут потери на трение в конструкции и нежелательные утечки зарядов.

Применение электрофорной машины

С 70-х гг. машина Вимшурста не используется для непосредственной добычи электрической энергии. Сегодня она выступает историческим экспонатом, иллюстрирующим историю возникновения и развития научно-технического прогресса и инженерной мысли. Лабораторная демонстрация, для чего создают электрофорную машину, показывает различные явления и эффекты электричества.

Допустимо использование индукционных нейтрализаторов, снимая заряды с жидких диэлектриков, например нефти. На любом производстве в воздухе получить искру опасно, это может привести к пагубным последствиям, задымлению и даже взрыву.

История открытий и исследований в области электричества имеет тесную связь с применением различных конструкций и устройств для получения электрических зарядов. Свою роль в научных изысканиях сыграла электрофорная машина, действие которой основано на возбуждении электричества благодаря индукции.

Сборка машины Вимшурста

В этом видео уроке будем собирать электрофорную машину, которая представляет из себя генератор . В начале рассматриваются общие вопросы по назначению и конструкции этой машины, потом подробно показаны все шаги по ее изготовлению своими руками.

Что представляет из себя электрофорная машина?

Устройство состоит из основания, на котором крепятся ее детали. Также в ее состав входят две стойки с осями, на которых крепятся два диска с металлизированным покрытием. Имеются также две лейденские банки, которые являются, по сути, конденсаторами или накопителями заряженных частиц. Разрядники, которые функционируют по мере накопления заряда конденсаторов, съемники заряженных частиц с передней и с задней стороны дисков. Диски приводятся в движение при помощи ременной передачи. Мы крутим ручку и за счет этого происходит вращение дисков.

Первые генераторы статического электричества были одновременно изобретены в Германии в одно и то же время Августом Теплером и, независимо от него, Вильгельмом Гольцем. Принцип работы электрофорной машины. Поскольку диски вращаются относительно друг друга в противоположные стороны, они создают положительные и отрицательные заряды. При вращении дисков по мере накопления зарядов происходит разряд.

Авторы видео решили изготовить данную машину, которую можно повторить своими руками в обычных домашних условиях. На сайтах в интернете есть несколько примеров создания такого генератора, но данная конструкция будет иметь двигатель.

Сначала были сделаны чертежи будущей машины. В первую очередь были рассчитаны параметры диска. После проделанной предварительной работы приступили к созданию устройства.

Основные детали

Машина будет состоять из следующих элементов. Это 2 диска, которые будут вращаться в противоположные стороны, они будут сделаны из CD-дисков. Два двигатель от компьютерного кулера, которые будут приводить их в движение. Диск будет приклеен двухсторонним скотчем на ротор мотора. Сам двигатель крепится к стойке. Стойки будут сделаны из оргстекла. Также будут использованы лейденские банки. Это пустая металлическая емкость, от которой идет один контакт, далее полистироловый диэлектрик и латунный контакт.

Изготовление электрофорной машины

Для начала нужно снять покрытие с диска, чтобы получить прозрачную заготовку. Для этого используем канцелярский нож. Для создания рабочего диска нужны эскизы, они выполнены на компьютере. Шаблон лепестка можно изготовить из подходящего материала, для этого хорошо подойдет банковская карта.

Теперь, используя шаблон, приступаем к разметке на скотче. Прикладываем шаблон и вырезаем все нужные фрагменты. Всего было вырезано 20 лепестков на один диск. Должно получиться 20 секций. Угол между двумя лепестками составляет 18 градусов. Разметка производится при помощи обычного листа в клеточку и транспортира. Теперь накладываем диск точно в середину координат, при помощи ножа или шила делаем насечки по 18 градусов. Наклеиваем лепестки в соответствии с линиями. В точной аналогии с первым диском был сделан второй диск. Он был обработан, чтобы обеспечить зазор.

У мотора удаляем желтый провод. Отсекаем ребра жесткости, чтобы можно было отсоединить двигатель. Некоторое место нужно оставить под монтажные отверстия.

Электрофорная машина Гольца

Исторический период наиболее активных экспериментальных исследований в области электрических явлений связан с появлением первых электростатических машин, действие которых позволяло получать электрическую энергию благодаря совершению механической работы.

Механическая работа заключалась во вращении определенных частей машины, при котором преодолевались силы притяжения (разноименных) и отталкивания (одноименных) электрических зарядов, присутствовавших на наэлектризованных элементах машины.

Эксперименты с подобными машинами способствовали лучшему пониманию исследователями того времени самой природы электричества и принципов электрических взаимодействий.

Создание первой электростатической машины трения историки приписывают немецкому ученому Отто фон Герике, который в 1650 году впервые создал такое устройство. Это была машина, работа которой основывалась на уже известном тогда явлении электризации тел трением. Однако машины трения обладали значительным недостатком — их работа требовала приложения больших механических усилий.

В отличие от машин трения, созданные позже электрофорные (индукционные) машины были лишены этого недостатка, поскольку для получения электрической энергии им не нужно было прямого контакта электризуемых частей с индуктором (с той частью, которая вызывала электризацию).

Так, первая электрофорная машина, то есть такая электростатическая машина, которая не требовала взаимного трения ее частей для получения электризации, была построена в 1865 году немецким физиком Августом Теплером. Изобретатель придерживался мнения, что именно электрофорные машины позволят эффективно получать электричество за счет преобразования механической энергии.

Примерно в это же время немецкий физик Вильгельм Гольц (нем. Holtz), независимо от Теплера, спроектировал более простую и более эффективную электрофорную машину, которая производила большую разность потенциалов, и даже могла служить источником постоянного тока для осветительных целей. Именно машины Гольца стали первыми электрофорными машинами, которые появились в учебных кабинетах образовательных учреждений.

Главные части машины Гольца — два стеклянных диска и металлические гребенки, предназначенные для снятия заряда. Один из дисков закреплен неподвижно, а другой может вращаться. Диски установлены на общей оси. В одном из музейных экспонатов неподвижный диск имеет диаметр 100 см, тогда как вращающийся диск — 94 см.

Неподвижный диск опирается на эбонитовую пластину и поддерживается в вертикальном положении эбонитовыми же кружками на изолирующих стойках. В неподвижном диске вырезаны окна, на задней стороне которых наклеены неполные бумажные секторы, именуемые оправами.

Оправы оканчиваются бумажными язычками, передние заостренные края которых направлены к подвижному диску и немного изогнуты. Диски, оправы и язычки покрыты гуммилаком (смолистое вещество).

Вдоль горизонтального диаметра подвижного диска, спереди, с каждой из его сторон, установлены латунные гребенки. Эти гребенки соединены с соответствующими латунными кондукторами, на концах которых установлены проводящие шары, через которые проходят латунные стержни, оканчивающиеся с внутренней стороны шариками, с наружной — деревянными (изолирующими) ручками. Стержни можно двигать, отдаляя или сближая шарики.

К кондукторам могут быть присоединены лейденские банки (внутренними обкладками), наружные обкладки которых соединяются между собой проводником. Два латунных столбика спереди машины служат для присоединения проводов, к этим столбикам можно прислонить шарики, просто наклонив кондукторы.

Передний диск приводится во вращение посредством ременной передачи и системы шкивов, соединенных с рукояткой, с помощью которой экспериментатор и приводит данный механизм в движение. Однако, прежде чем начать работу с машиной, необходимо наэлектризовать бумажные секторы (оправы) разноименными зарядами (обозначим их как р+ и р-).

Данные оправы, будучи заряжены, благодаря явлению электростатической индукции, станут воздействовать на вращающийся диск, а диск в свою очередь будет воздействовать на гребенки О и О’.

По мере вращения диска, оправа (в окне F) с зарядом р+ наведет (индуцирует) отрицательный заряд на задней части m вращающегося диска, и заряд такого же знака будет притянут из гребенки О, опять же благодаря явлению электростатической индукции. Часть диска m’ примет отрицательный заряд от гребенки О, а сама гребенка О вместе со своим кондуктором С и шариком r поэтому станут заряжены положительно.

Итак, диск электризовался отрицательно с обеих его сторон (в местах m и m’), а кондуктор на левой стороне машины — положительно. Диск продолжает вращение, и вот, части его поверхности m и m’ подходят к окну F’, расположенному на неподвижном диске справа.

Влияние установленной здесь оправы с отрицательным зарядом p- усиливается поверхностью m’, значит с гребенки О’ в сторону диска будет притянут положительный заряд. Соответственно и кондуктор С’, и шарик r’ зарядятся отрицательно. Поверхность m принимает притянутый с гребенки положительный заряд. Диск продолжает вращение и цикл повторяется.

Электростатические генераторы считаются самыми древними источниками электрического напряжения: Как устроены и работают электростатические генераторы

Каков принцип работы аппарата?

Электрофорная машина с момента ее изобретения (а это начало восемнадцатого века) пережила много изменений. Но основная идея осталась. Основой конструкции машины являются диски с наклеенными обкладками (металлическими полосами). Приложив определенную механическую силу с помощью ременной передачи, их можно вращать в разные стороны, противоположные друг другу. На обкладке одного диска возникает положительный заряд. Он притянет к себе другой заряд (отрицательный). Положительный уйдет через проводник со щетками (нейтрализатор), который касается противоположной обкладки. Поворачивая диски, получаем заряды, аналогичные исходным. Но они уже будут влиять на другие обкладки. Учитывая то, что диски вращаются в противоположные стороны, заряды стекаются к коллекторам. У такого демонстрационного аппарата, как электрофорная машина, принцип работы основан именно на этом моменте. На щетках обоих дисков, которые не касаются их поверхности и находятся по краям, заряды в какой-то момент становятся настолько огромными, что в воздушном пространстве возникает пробой, и проскакивает электрическая искра. Именно поэтому к коллекторам можно присоединять дополнительные конденсаторы разных емкостей, что придаст большую красоту эффекту возникновения разряда.

Принцип работы генератора статического электричества (ещё их называют электрофорные машины) заключается в том, что диски вращаются относительно друг друга в противоположные стороны и создают положительные и отрицательные заряды. При вращении дисков по мере накопления зарядов происходит разряд — молния между электродами.

Конструкция

Конструкция изобретения Джеймса Вимхерста описана плохо в открытых источниках, часто люди не в силах объяснить, как работает электрофорная машина.

Общая идея

Два вращающихся друг против друга соосных диска несут простейшие конденсаторы из секторов алюминия. За счет случайных процессов в начальный момент на одном из сегментов – равномерно расположенных по кругу – образуется заряд. Это вызвано процессами трения о воздух либо прочими причинами. Причем, поскольку конструкция симметричная, знак заранее не предсказуем. Не рекомендуется ставить в электрофорную машину электролитические конденсаторы.

Вместо этого применяются две лейденские банки. Их внешние обкладки из фольги объединены, чтобы создать единую систему из последовательно включенных конденсаторов. Так уменьшаются требования к рабочему напряжению каждой емкости в два раза. Номиналы подбираются по возможности одинаковыми. В противном случае требования к рабочему напряжению распределятся неравномерно, что приводит к негативным последствиям.

Напряжение с сегментов дисков снимается при помощи индукционных нейтрализаторов. Ниже описан принцип действия. По сути конструкция, напоминающая металлический гребень, на некоторой высоте парит над диском. Нейтрализаторы спаренные, в точку съема заряда оба диска приходят с эквивалентным знаком на внешней поверхности. После разгрузки заряд сегментов сильно падает. Это обусловлено особой конструкцией индукционных нейтрализаторов, оставляющих поверхностную плотность заряда в районе 0,2 – 6 мкКл на метр в квадрате. В избранных конструкциях щетка слегка касается краем диска.

Прогрессивный рост поверхностной плотности заряда на сегментах в точке съема обусловлен тем, что навстречу друг другу движутся системы, создающие электрические поля, чьи напряженности направлены в противоположные стороны. Получается, что собственной рукой оператор (либо за счет силы электрического привода) отталкивающиеся системы насильно сближает. Взаимодействующие заряды пытаются расположиться подальше друг от друга. Это вызывает резкий рост поверхностной плотности зарядов в точках съема.

От гребенок нейтрализаторов электричество собирается в лейденские банки. Напряжение быстро растет, чтобы избежать выхода системы из строя вследствие превышения допустимых параметров конденсаторов, к двум электродам прикреплен разрядник. Дистанция между ними, как правило, регулируется, что позволяет получить дугу различной силы. Чем больше напряженность поля между разрядниками, тем более шумным эффектом сопровождается процесс опустошения лейденских банок.

После точки съема заряда сегменты остаются пустыми. Через 30 градусов по ходу движения диска стоят уравнители потенциала, называемые нейтрализаторами по принципу действия. Авторы обзора назвали бы уравнителями. Противоположные стороны диска отдали уже заряд у разных щеток. Следовательно, после прохождения точки съема знаки остатков заряда на них неизменно различны. И кусок толстой медной проволоки с щетками из тонких проволочек, трущих сегменты или парящих на малой высоте, замыкают накоротко указанные противоположности. В результате заряд на обоих сегментах становится равным нулю, энергия превращается по закону Джоуля-Ленца в тепло, выделяющееся на толстой медной жиле.

После обнуления диски продолжают двигаться во встречном направлении. Получается, освобожденный от заряда сегмент одного круга вращения оказывается напротив полупустого сегмента другого. Заряд между емкостями немедленно делится поровну, ведь диски сконструированы по одинаковым чертежам. Следовательно, кажутся идентичными. Первый диск отдает половину заряда, идет на точку съема. Второй достигает точки уравнителя потенциала первого и там отдает половину заряда.

Порой люди интересуются принципом работы прибора, ведь первый диск отдал остаточный заряд на уравнителе, второй поступил аналогично. Где взять энергию для смены знака?

https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-elektrofornaya-mashina-i-kak-ona-rabotaet
https://fb.ru/article/136480/elektrofornaya-mashina—printsip-rabotyi-kak-sdelat-elektrofornuyu-mashinu-svoimi-rukami
https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html

Конструкция электрофорной машины

2 соосных диска вращаются друг против друга, неся при этом простейшие конденсаторы из алюминиевых секторов. Благодаря случайным процессам в первичный момент на участке одного из сегмента образуется заряд. Вызывается явление процессом трения о воздух. Из-за симметричности конструкции нельзя заранее предсказать итоговый знак.

В конструкции используются 2 лейденовские банки. Они создают из последовательно включенных конденсаторов единую систему. Это влияет на двойное уменьшение требований к рабочему напряжению в каждой емкости. Следует подбирать одинаковые номиналы, это залог равномерного распределения рабочего напряжения.

Снять напряжение призваны индукционные нейтрализаторы. Вся конструкция напоминает металлический гребень, парящий на некотором расстоянии над диском. В точку съема заряда приходят оба диска с эквивалентными знаками внешней поверхности. Нейтрализаторы спарены. После осуществления разгрузки сильно снижается заряд сегментов. В дополнительных конструкциях щетка легко соприкасается с краем диска.

Является ли машина Вимшурста генератором энергии?

Дата: 12.05.2015

Работа в термодинамике

В термодинамике работа, совершённая газом при расширении, рассчитывается как интеграл давления по объёму:

A1→2=∫V1V2PdV.{displaystyle A_{1rightarrow 2}=int limits _{V_{1}}^{V_{2}}PdV.}

Работа, совершённая над газом, совпадает с этим выражением по абсолютной величине, но противоположна по знаку.

Естественное обобщение этой формулы применимо не только к процессам, где давление есть однозначная функция объёма, но и к любому процессу (изображаемому любой кривой в плоскости PV ), в частности, к циклическим процессам.
В принципе, формула применима не только к газу, но и к чему угодно, способному оказывать давление (надо только чтобы давление в сосуде было всюду одинаковым, что неявно подразумевается в формуле).

Эта формула прямо связана с механической работой. Действительно, попробуем написать механическую работу при расширении сосуда, учитывая, что сила давления газа будет направлена перпендикулярно каждой элементарной площадке, равна произведению давления P

на площадьdS площадки, и тогда работа, совершаемая газом для смещенияh одной такой элементарной площадки будет dA=PdSh.{displaystyle dA=PdSh.} Видно, что это и есть произведение давления на приращение объёма вблизи данной элементарной площадкой. А просуммировав по всем dS

, получим конечный результат, где будет уже полное приращение объёма, как и в главной формуле раздела.

Как это работает — теория

Вращение дисков с металлическими секторами приводит к переносу электрического заряда внутри машины, который хранится в конденсаторах до момента возникновения искры или заряда утечки.

Самые важные части в электрофорном агрегате – нейтрализаторы. Это две перемычки со щетками установленные крестом. Если хотя бы одну из четырех щеток отодвинуть от сегментов, машинка перестает работать. Хотя казалось бы диски вращаются, электризуются трением о воздух и значит электричество вырабатывается.

Нейтрализатор делает следующее: он перетаскивает заряд с одной половинки диска на другую и диск оказывается не просто заряжен, а заряжен избирательно — не по всей плоскости.

Другими словами, диск собирает заряды из воздуха, а нейтрализаторы их перераспределяют. Заряд снимается щеткой, движется по проводнику к противоположной щетке и в тот момент когда напротив сегмента появится сегмент второго диска — перескакивает на него.

Далее этот сегмент подходит к щетке второго нейтрализатора и процесс повторяется, но уже на другом диске. Таким образом происходит кругооборот зарядов между дисками в процессе которого воздух между сегментами ионизируется и разделяется. В результате накачки увеличивается напряжение, кроме того в машинке работает эффект раздвигания обкладок конденсатора, что также способствует увеличению напряжения.

Миниатюрное устройство по созданию таких безвредных молний (но не для микроэлектроники) легко сделать своими руками.

Данный электростатический генератор способен генерировать более 20000 Вольт, но малый ток делает его безопасным для использования без специальных мер предосторожности

Электростатический генератор своими руками

Как почистить посудомоечную машину в домашних условиях: советы по чистке

Как это работает — теория

Как вводить символы и знаки на клавиатуре компьютера?!Читайте также:

101 идей красиво разложить нарезки для праздничного столаЧитайте также:

Характеристики устройства

Высота: около 140 мм
Ширина: приблизительно 120 мм
Питание: 3 В 0,3 А
Статический заряд: 20 кВ
Диаметр диска: 120 мм

Руками тут ничего крутить не нужно (как это было в прототипе позапрошлого века) — всё делают 2 электромотора. достаточно нажать на кнопку включения и подождать некоторое время до накопления заряда на электродах.

Материалы и компоненты

Необходимо будет для монтажа: паяльник и припой, отвертка и плоскогубцы. Два мотора от старых CD плееров и всякая крепёжная мелочёвка.

Генератор работает от двух батареек АА и способен создавать разряды длинной 2 см. Самое сложное тут — 120 мм диски. Их нужно изготовить по такому принципу: взять два лазерных диска от CD или DVD. Сегменты приклеить из алюминиевого скотча (25 секторов). Приклеить диски к моторчикам. Сделать щетки из алюминиевых полосок.

Если всё сделать и настроить как надо, то искра достигнет размеров около 20 мм, а разряд будет пробивать каждые 0,5 сек.