Как сделать электрофорная машина своими руками?

Как построить машину Уимшерста на 30 киловольт

Электрофорная машина, генератор Уимсхёрста — электростатический генератор, то есть электрическая машина для генерирования высокого напряжения, разработанная британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом. Использует явление электростатической индукции, при этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт. Работает с помощью механической энергии.

Электростатические машины создают заряды высокого напряжения без привычных катушек из медной проволоки, постоянных магнитов и коммутаторов, которые есть в обычных генераторах. Они сделаны из латуни, стекла и дерева и выглядят скорее механическими, чем электрическими.

Самое интересное в этих генераторах — это то, что вы можете почувствовать их работу. Когда вы запускаете машину Wimshurst, вы можете слышать, как она потрескивает от энергии, вы чувствуете резкий запах озона и чувствуете, как волосы на руках встают дыбом, когда лейденские банки начинают заряжаться.

Джеймс Вимшерст изобрел машину Вимшерста в конце 1800-х годов. Это «простой» генератор высокого напряжения, который можно использовать в экспериментах. Он вытеснил другие устройства, такие как машины «Holtz» и «Voss». Это был один из первых способов генерировать высокое напряжение, позволяющее более или менее удобно делать рентгеновские снимки на рубеже веков. Машина Вимшерста была заменена примерно в 1924 году более практичными генераторами, такими как генератор Маркса, который до сих пор используется в лазерных принтерах и телевидении с ЭЛТ.

Машина Вимшерста состоит из двух дисков, вращающихся в противоположных направлениях, и двух лейденских банок (конденсаторов). Чаще всего он приводится в действие рукояткой, но также может приводиться в действие электродвигателем.
В этой статье мастер покажет, как он спроектировал и построил машину Вимшерста с нуля.

Конкретно это устройство генерирует 30 000 вольт (рассчитано с использованием максимального расстояния между искровыми промежутками) и несколько десятков микроампер.

Работает устройство следующим образом.

Начало: зарядка секторов
Машина состоит из двух диэлектрических дисков. Каждый диск разделен на сектора. Сектора металлизированы. Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Работа начинается с любого сектора, который имеет заряд, то есть у них несбалансированное количество положительного или отрицательного заряда. Допустим, что сектор на передней стороне есть чистый отрицательный заряд.
Этот отрицательный сектор влияет на сектор, к которому он обращен на противоположном(заднем) диске, отталкивая отрицательный заряд к дальней стороне заднего сектора (поскольку одинаковые заряды отталкиваются) и оставляя ближнюю сторону с положительным зарядом (поскольку разные заряды притягиваются). Этот процесс называется электростатической индукцией. Машину Вимшерста называют «машиной влияния», поскольку заряд в одном секторе влияет на распределение заряда в другом секторе. Несмотря на то, что распределение заряда в заднем секторе находится под влиянием, он все еще имеет отрицательный заряд.



Нейтрализующий заряд
Рис.4. показывает, что происходит рядом с задним диском, на который только что воздействовали. На каждом диске имеется нейтрализующий стержень. На каждом конце полосы нейтрализации есть проводник (щетка), который касается секторов по мере их прохождения. Количество секторов четное и стержень касаясь одного сектора, касается противоположного сектора. Таким образом противоположный сектор тоже получает отрицательный заряд.

На следующем рисунке представлена ситуация сразу после нейтрализации поверхностного заряда на обоих секторах после того, как диски немного повернуты в сторону от щеток. Первый сектор остается с положительным зарядом, поскольку отрицательный заряд только что был снят с него нейтрализующей полосой. Второй сектор только что получил отрицательный заряд от нейтрализующей планки, поэтому он остается заряженным отрицательно.

Теперь у нас есть 3 заряженных сектора: исходный, с которого началась последовательность событий, первый заряженный сектор и второй заряженный сектор. Затем процесс повторяется на следующих секторах.

Накопление заряда
Если посмотреть внимательно, все отрицательно заряженные сектора направляются к левому коллектору, а все положительно заряженные сектора направляются к правому коллектору. Также можно заметить, что секторы, которые только что прошли через любой из коллекторов заряда, получили свой заряд и теперь в целом нейтральны. Так продолжается до тех пор, пока он не достигнет нейтрализующих щеток, где воздействующее и нейтрализующее действие перезарядит их.

Сбор заряда
Электроды физически не касаются секторов. Вместо этого они имеют острые края, обращенные к секторам, и между ними есть воздушный зазор. В качестве примера рассмотрим один из коллекторов Отрицательный заряд на секторах отталкивает электроны от острия, оставляя положительный заряд. Электрический заряд имеет тенденцию накапливаться вокруг острых предметов. Сложенный положительный заряд приводит к возникновению сильного электрического поля в зазоре между заряженными секторами и коллекторными гребешками. Это сильное электрическое поле ионизирует молекулы воздуха и делает их проводящими, образуя синевато-пурпурную корону возле острия. Этот проводящий воздух значительно снижает сопротивление, которое обычно имеет воздух. Это приводит к тому, что отрицательный заряд на секторах перескакивает через зазор к коллектору, что снова оставляет сектора нейтральными.
Тот же процесс происходит на правом коллекторе, только с противоположными зарядами.

Лейденские банки и искровой разряд
Остальная часть схемы состоит из разрядника и двух лейденских банок, которые представляют собой два цилиндрических конденсатора, соединенных последовательно. Искровой разрядник также представляет собой конденсатор, хотя и гораздо меньшего размера, чем у лейденских банок. Он также имеет диэлектрик (воздух). Искровой разрядник и цепь лейденских банок параллельны коллекторам. Шунт часто используется для простого подключения и отключения лейденских банок.

Заряд, собранный с секторов, заряжает лейденские банки и далее переходит на искровой разрядник.





Шаг второй: диски
Первоначально мастер использовал два желтых акриловых листа, которые были вырезаны на лазерном резаке. К сожалению, он упустил из виду тот факт, что нужно сделать отверстие по центру. При попытке сделать отверстия они не получились соосно.
Тогда он сделал два диска из оранжевого акрила.

Диски имеют диаметр 290 мм. Пять отверстий в центре предназначены для крепления подшипника. На каждом диске крепится 24 сектора из вырезанные из алюминиевой фольги.


























Коллекторы заряда (гребни), сделаны из медной проволоки. Проволока сгибается буквой U. К прямым участкам припаиваются по 12 медных перемычек. Затем перемычки обрезаются немного отступив от края.

Гребешки крепятся так, чтобы острые штырьки располагались напротив секторов. Гребешки в свою очередь соединяются с медной проволокой, закрепленной на шпильках лейденских банок.




Лейденские банки представляют собой два слоя алюминиевой фольги обернутые вокруг секции от люминесцентной лампы (стеклянная колба или трубка). Один слой изнутри, второй снаружи. По сути это конденсатор. Для устройства нужны две Лейденские банки. Одна у него получилась емкостью 0,83 нФ, а вторая 0,76 нФ.

Наружные фольга банок соединяется медным шунтом.



Шаг восьмой: устранение неполадок
Изначально машина выдавала максимум 200В. Внимательно рассмотрев устройство, он понял, что частично утечка была через металлический вал, на котором были установлены диски. Оси касались бронзовые стержни. Сначала он заизолировал стержни, затем заменил ост на диэлектрическую.

Вторым фактором, влияющим на напряжение было количество гребешков. Он удалил их все, кроме одного.
Имея только по одному гребешку с каждой стороны токосъемника, площадь будет минимальной, а напряжение — максимальным.

Как сделать электрофорную машину своими руками

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

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.

Читайте также  Гтц что это в машине?

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты. С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа. Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

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.

На чем основана работа электрофорной машины?

Использование взаимного усилия обоих дисков – именно этот принцип является основным в данном устройстве. Эффект возникновения разности потенциалов, а затем разрядов и искр достигается правильным расположением секторов. Конечно, существуют разработки, использующие и чистые диски, но подобный коэффициент полезного действия они не выдают. Такие конструкции часто применяются в небольших учебных учреждениях. Расстояние между дисками у такого прибора, как электрофорная машина, играет важнейшую роль и оказывает существенное влияние на достижение необходимого напряжения на конденсаторах.

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.

Проект «Сборка электрофорной машины»

Адмиралтейский район Санкт-Петербурга

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа

№ 235 им. Д. Д. Шостаковича

с углубленным изучением предметов художественно — эстетического цикла Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

190121,г. Санкт-Петербург, наб. р. Пряжки, д. 2-4, 6,

т/факс 572-51-62, 572-58-46, 572-58-45

Секция «Физика. Астрономия»

«Сборка электрофорной машины»

учащийся 8 класса сфм

Кокшарова О.А., учитель физики,

ГБОУ средняя школа №235 им.Д.Д.Шостаковича

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

В истории науки было создано несколько видов электрофорных машин. Первая электростатическая машина появилась около 1650 г. Ее сконструировал немецкий ученый, Отто фон Герике. Работа этой машины основывалась на явлении электризации тел трением. В дальнейшем было создано большое количество разнообразных конструкций электрических машин трения, но все они имели общий существенный недостаток: работа с такими машинами требовала приложения очень больших физических усилий. В то же время она имела более простую конструкцию. В 1865 г. физик-экспериментатор из Германии Август Теплер разработал чертежи электрофорной машины. Одновременно с этим было сделано второе независимое открытие подобного агрегата немецким ученым Вильгельмом Хольцем. Машина Хольца по сравнению с машиной Теплера позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока. Простая начальная конструкция применения электрофорной машины в 1883 г. была усовершенствована Джеймсом Вимшурстом из Англии. 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, поэтому мы решили собрать ее самостоятельно.

Электрофорная машина Вильгельма Хольца

Гипотеза. Мы предполагаем, что работающую электрофорную машину можно создать в домашних условиях

Цель работы: Собрать электрофорную машину.

Изучить и проанализировать литературу по истории изобретения электрофорной машины;

Сравнить достоинства и недостатки различных видов электрофорных машин;

Сформулировать принцип работы электрофорной машины;

Собрать электрофорную машину;

Дать рекомендации по сборке электрофорной машины.

Процесс сборки

Виниловые пластинки, 2 шт;

Стеклянные банки 2 шт;

Контакты для крепления проводов;

Болты с гайками;

Резак по бумаге;

Отвертка крестовая и обычная;

Описание сборки машины:

Берем две виниловые пластинки одинакового диаметра, на них будет образовываться статический заряд.

Размечаем пластинку на чётное количество сегментов.

Наклеиваем на каждую сторону пластинки алюминиевые лепестки. Всего понадобилось – 32 штуки

Изготавливаем лейденские банки. С помощью алюминиевого скотча оклеиваем стеклянную банку на две трети корпуса, внутри и снаружи.

С помощью электролобзика и фрейзерной машины выпиливаем основные деревянные детали: подставку, деревянные стойки, шкивы, рукоятку для вращения. С помощью столярного клея, склеиваем детали шкива .

Пилим латунную трубку на сегменты длинной 30 см. Острым гвоздём пробиваем отверстия, в которые в дальнейшем вставим гвозди, играющие роль коллектора. Латунную трубку загибаем в виде подковы. В другие две латунные трубки вставляем в отверстия с двух сторон очищенную от оплетки жилу телефонного кабеля. Они будут выполнять функцию щеток в нейтрализаторе.

Соберем всю конструкцию с помощью болтов диаметром 8 и длинной 120мм. В соответствии с получившимся расстоянием между стойками, закрепим их на подставке с помощбю столярного клея.

Просверлим болты и закрепим в них латунные трубки коллектора с помощью проволоки. Нижнюю часть болта закрепим в крышке лейденской банки гайками, через кузовную шайбу(для устойчивости). Под нижнюю гайку заведем цепь, с длинной достаточной для её устойчивого контакта с дном банки. Установим банки с закрепленными на них коллекторами на алюминиевую полосу и закрепим её клеевым пистолетом так, чтобы подкова коллектора располагалась симметрично относительно дисков. В пробитые отверстия вставим гвозди, с минимальным зазором относительно диска. Для изготовления разрядника потребовались две латунные трубки и шарики оклеенные алюминиевой фольгой, позже в инструментах нашлись две детали в скруглённых конусов которые и заменили шарики. Для ремней шкивов использовали текстильные резинки для волос. Трубки изолировали синей и красной изолентой.

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.

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.

Читайте также  На что влияет кислородный датчик в машине?

заключение;

В ходе работы выяснили, что существует несколько видов электрофорных машин;

Механическую энергию можно с помощью электрофорной машины перевести в электрическую;

Столкнулись с проблемой точности описания прибора и используемых материалов;

Сформулировали принцип действия электрофорной машины

Рекомендации по сборке электрофорной машины:

токосъемник должен иметь форму заострённого конуса.

щетки нейтрализатора и коллектор в разных источниках называли одинаково «нейтрализатор» по этой причине возникла трудность с позиционированием щёток нейтрализатора. Проверяя опытным путём, подтвердили теоретические данные о положении нейтрализаторов на 30 0 относительно коллектора.

трудности с подбором деталей для шкива и устранением погрешностей втулок из-за который возникало сильное биение дисков.

список использованной литературы (библиография);

Электрофорная машина — принцип работы. Как сделать электрофорную машину своими руками

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

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.

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты. С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа. Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

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.

На чем основана работа электрофорной машины?

Использование взаимного усилия обоих дисков – именно этот принцип является основным в данном устройстве. Эффект возникновения разности потенциалов, а затем разрядов и искр достигается правильным расположением секторов. Конечно, существуют разработки, использующие и чистые диски, но подобный коэффициент полезного действия они не выдают. Такие конструкции часто применяются в небольших учебных учреждениях. Расстояние между дисками у такого прибора, как электрофорная машина, играет важнейшую роль и оказывает существенное влияние на достижение необходимого напряжения на конденсаторах.

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.

Как сделать электрофорную машину своими руками

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.

Читайте также  Когда нужно нажимать сцепление в машине?

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

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты. С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа. Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

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:

  1. 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.
  2. 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.

На чем основана работа электрофорной машины?

Использование взаимного усилия обоих дисков — именно этот принцип является основным в данном устройстве. Эффект возникновения разности потенциалов, а затем разрядов и искр достигается правильным расположением секторов. Конечно, существуют разработки, использующие и чистые диски, но подобный они не выдают. Такие конструкции часто применяются в небольших учебных учреждениях. Расстояние между дисками у такого прибора, как электрофорная машина, играет важнейшую роль и оказывает существенное влияние на достижение необходимого напряжения на конденсаторах.

Индукционные нейтрализаторы

Нейтрализаторы в процессе работы способны загрязняться. Следовательно, периодически требуется чистить, иначе снижается эффективность. В машине Вимхерста факт уменьшения КПД мало играет роли. Если машина не работает, стоит проверить чистоту игл. В конструкции используется четыре индукционных нейтрализатора:

  1. Сдвоенные уравнители лежат практически перпендикулярно друг другу.
  2. По одному съемнику – на каждую лейденскую банку.

Представляют собой щетку из тонкой проволоки либо острых зубчатых плоских гребней (расчесок). Основа бывает металлической, что используется в машине Вимхерста, и деревянной. Острия всегда металлические, назначение – по возможности быстро отводить заряд на заземление. Принцип действия: по мере приближения остриев к заряженной плоскости линии напряженности смыкаются на них, образуя высокие значения.

Для справки. Плотность линий поля прямо пропорциональная напряженности в данной точке.

Повышенная плотность в районе острия способствует ионизации воздуха (без искры) и образованию зарядов обоих знаков, проводящих ток в нужном направлении. Параметры нейтрализаторов сильно зависят от расстояния между остриями и уменьшением радиуса их кривизны (заточкой). Применяемые в машине Вимхерста проволочные нейтрализаторы в виде щеток наименее эффективны. На съемниках стоят гребенки либо иглы. Считается, что для последних нейтрализаторов максимальная результативность достигается при указанных условиях:

  • Соотношение высоты игл к расстоянию между ними от 0,6 до 1,8.
  • Длина игл 12 – 50 мм и более.
  • Диаметр игл 0,5 – 1 мм.

Уменьшение угла заточки за 60 градусов (повышение кривизны) в этом случае слабо влияет на свойства нейтрализатора. Иглы желательно поднести на расстояние от 5 мм к поверхности. Чем ближе, тем быстрее происходит съем заряда. Фактически минимальное расстояние до плоскости зависит исключительно от собственных вибраций диска. Касание не приведет к отказу системы, но резко снизится срок эксплуатации за счет механического разрушения отдельных элементов.

В противовес общепринятому мнению, созданному от бесконечных демонстраций машины, иглы лучше крепить на диэлектрическом основании. Предпринятым шагом уменьшается ёмкость между диском и гребнем, чем повышается плотность заряда: С = q/U. Заряд уже априорно задан, понижение емкости повышает разницу потенциалов (напряжение), чем облегчается процесс ионизации.

Для безопасности нейтрализатор снабжается кожухом. Нелишне напомнить, что прочие части (помимо ручки вращения) машины Вимхерста в период работы трогать нельзя. Края кожуха удалены от игл нейтрализатора не менее 50 мм.

Индукционным тип приборов назван за действие на расстоянии. Процесс носит название электростатической индукции. Это значит, что один заряженный предмет на расстоянии влияет на второй, без заряда. В металле электроны слабо связаны с решеткой, легко идут в сторону, куда увлекаются полем. Эффект носит поверхностный характер по понятной причине – линии напряженности не могут проникнуть в металл. По-другому: заряды в толще проводника перераспределяются, пока не нейтрализуют полностью внешнее поле.

В результате на поверхности иглы индуцируется заряд. Линии напряженности поля замыкаются на нем, одновременно сходясь отовсюду, как показано на рисунке. Разница потенциалов неизмеримо вырастает, вызывается ионизация воздуха. Она умеренная, при работе машины Вимхерста на щетках, как правило, нет искрения.

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.

История

Электрофорная машина была разработана в 1865 году немецким физиком-экспериментатором Августом Тёплером. Одновременно с Тёплером и независимо от него электрофорную машину изобрёл другой немецкий физик Вильгельм Хольц. Машина Хольца 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[1]. Между 1880 и 1883 годами её усовершенствовал английский изобретатель Джеймс Уимсхёрст (англ.). Используемые в настоящее время для демонстраций электрофорные машины представляют собой модификации машины Уимсхёрста.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: