Электрофорная машина принцип действия

Электрофорная машина (генератор Вимшурста) Wimshurst

Электрофорная машина принцип действия

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

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.

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?

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.

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.

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.

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.

Дата: 12.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Проект

Электрофорная машина принцип действия

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

Городская научно-практическая

конференция старшеклассников

Санкт-Петербурга

«Лабиринты науки»

Секция «Физика. Астрономия»

«Сборка электрофорной машины»

Выполнил:

Ермилов Егор.,

учащийся 8 класса сфм

Руководитель работы:

Кокшарова О.А., учитель физики,

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

Санкт-Петербург

2019

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

Генератор Вимшурста

Современная модель

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

Цель работы: Собрать электрофорную машину.

Задачи:

  • 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;
  • Алюминиевый скотч;
  • Фанера;
  • Стеклянные банки 2 шт;
  • Контакты для крепления проводов;
  • Болты с гайками;
  • Многожильныные провода;
  • Изолента;
  • Латунные трубки;
  • Телефонный кабель;
  • Болт 8мм 4 шт;
  • Гайки 8 шт;
  • Шайбы 6шт;

Инструменты:

  • Ножницы;
  • Резак по бумаге;
  • Линейка;
  • Простой карандаш;
  • Транспортир;
  • Ручка;
  • Электролобзик;
  • Пила;
  • Фрейзерная машина;
  • Дрель;
  • Кусачки;
  • Пассатижи;
  • Отвертка крестовая и обычная;
  • Циркуль;
  • Пинцет;
  • Клеевой пистолет.

Описание сборки машины:

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

Размечаем пластинку на чётное количество сегментов.

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

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

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

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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.

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

список использованной литературы (библиография);

https://studbooks.net/1961778/matematika_himiya_fizika/konstruktsiya_elektrofornoy_mashiny

http://electricity-automation.com/page/elektrofornaya-mashina-generator-wimshursta

https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрофорная_машина

Разработка и проектирование уникального автономного источника электроэнергии (аиэ)мощностью 20-25 квт

Электрофорная машина принцип действия

Электрофорная машина – режим электростатического генератораПринцип действия электрофорной машиныАвтономный электростатический электрогенератор Тестатик ШвейцарияПоиск оптимальной структуры автономного источника электроэнергииОсновные структуры силовой конструкцииПояснения к рис.3
Что такое эфир?Откуда газовые вихри берут энергию?L – mvR = const

Page 3

Рис. 4. Энергетическая установка, охваченная положительной обратной связью: а) структура; б) затухающий переходной процесс; в) рПути использование трансформатора теслаРис.1 Простейшая схема трансформатора ТеслаФото 1 Внешний вид трансформатора ТеслаФото 3 Мощная автоэлектронная эмиссия с выходной обмотки трансформатора ТеслаРис.3 Блок-схема конструкции источника дармовой электрической энергии Си использованием автоэлектронной эмиссии трансформатора ТФото 4 Опыт-свечение ламп накаливания от трансформатора Тесла –по одному проводуРазработка трансформатора теслаЭлектростатические генераторы

Page 4

Рис.4 Блок -схема простого АИЭ на основе электростатического генераторного устройства и вакуумных ламп для генерации электроэнергии малой мощности до 20-30 квт

Обозначения :

  1. Электростатический генератор –сепаратор электрических зарядов
  2. первичный преобразователь параметров электроэнергии
  3. Вторичный преобразователь параметров электроэнергии
  4. полезная электрическая нагрузка
  5. электрофорная машина –серийная
  6. первая лейденская банка
  7. вторая лейденская банка
  8. вакуумная электронная лампа – триод с холодным игольчатым катодом для интенсификации электронной эмиссии ( в реальности блок таких ламп в зависимости от требуемой электронной эмиссии )
  9. внутреннее вакуумированное пространство триода
  10. игольчатый катод
  11. управляющая сетка
  12. анод
  13. модулятор частоты
  14. демодулятор напряжения
  15. устройство управления модулятором

 В данном упрощенном варианте АИЭ на малые мощности в конструкции устранены некоторые сложные блоки с разрядниками трансформатором Тесла , и вообще оставлены только вакуумные электронные лампы -источники мощной электронной эмиссии

МОДУЛЯЦИЯ – ДЕМОДУЛЯЦИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С АИЭТехника модулирования и демодулирования электрических сигналов достаточно отработана Ниже приведены графические иллюстрации этих известных принципов преобразования электрических сигналовФото опыта

Мощная электронная эмиссия – и как ее следствие -свечение воздуха

Получена в опытах с использованием трансформаторов Тесла , вакуумных электронных ламп –электроники управления и выходного оптоволокна

 

Электромагнитный искровой разрядник – прерыватель электрической дуги

Фото

 

ВЫВОДЫ

Проделанная нашим творческим коллективом начальная работа по созданию эффективного альтернативного АИЭ показывает реальность его создания на мощности 20-30-200 квт на основе электростатических машин в сочетании с оригинальными трансформаторами Тесла и оригинальными вакуумными лампами .

В основе данного технического решения лежит новый физический эффект взрывной электронной эмиссии, достижимой только с игольчатых электродов вакуумных ламп при подаче на их катоды напряжения порядка 100 -200 кв.

и выше Именно этот практически дармовой мощный ток электронной эмиссии с холодных катодов вакуумных и обеспечивает в нагрузке значительную полезную электрическую мощность В отчете –на эскизном уровне проработаны и схемотехника и различные варианты возбуждения и раскачки оригинальных трансформаторов Тесла и согласования их с вакуумными лампами .

К сожалению данная поисковая работа по созданию уникального АИЭ нового поколения оказалась намного сложнее и трудозатратнее , чем представлялась нам вначале .

Считаем, что на ее эффективное продолжение требуется немало средств и дополнительный напряженный труд целого творческого коллектива разработчиков и экспериментаторов – и немалые средства (см ориентировочную смету расходов-Приложение 2)

Но следует отметить что несмотря на острые проблемы финансирования данной НИОКР по результатам наше разработки и первых опытов – теперь реальность создания таких АИЭ у нас не вызывает сомнений , и основные принципы в его основе и основные его узлы конструкции и схемотехники его уже нами прорисованы в рамках данного его эскизного проектирования

………….

Источники использованной научно техн.информации(выборочно)

  1. Р. Подольный. Нечто по имени ничто. М. 1983.
  2. Н.В. Косинов. “Физический вакуум и гравитация”. Физический вакуум и природа. №4, 2000.
  3. Ю.П. Конюшая. Открытия советских ученых. М.: Изд-во МГУ, 1988.
  4. James L. Griggs, “Apparatus for Heating Fluids”, U.S. Patent 5.188.090.
  5. А.В. Чернетский. О физической природе биологических явлений и их моделировании. М., 1989.
  6. Niper, Hans. A. Revolution in Technik, Medizin, Gesellschaft, 1983.
  7. Пат. США №5.149.407.
  8. В.А. Жуков. Технология чуда. Свет (Природа и человек), №1, 1987.
  9. D.C. Cole and H.E. Puthoff, “Extracting Energy and Heat from the Vacuum”, Phys. Rev.E, v. 48, No. 2, 1993.
  10. P. Tewari. Generation of cosmic energy and matter from absolute space. International Symposium of new energy. Denver, Colorado, USA, April 16…18, 1993.
  11. Пат. США №4622510.
  12. Пат. США №4595852.
  13. Пат. США №4904926.
  14. Пат. США №4883977.
  15. Европатент 367760.
  16. Пат. Франции №93-10527
  17. Н.В. Косинов. На пути к вакуумной картине мира. Непоседа. №4(49), 1997.
  18. С.Б. Нестеров. Гидрино, дигидрино и производство энергии. Энергия, №6, 1995.

Электрофорная машина

Электрофорная машина принцип действия

Электрофорная машина – это генератор статического заряда, состоящий из двух колес, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. Часто используется учителями на уроках физики для устрашения занимающихся силой электрической дуги.

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?

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.

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.

Вместо заключения

Индукционные нейтрализаторы возможно использовать иным способом – снимая заряд с жидких диэлектриков. К примеру, нефти. На производстве любая искра вызовет негативные последствия. Достаточно вспомнить о взрыве на скважине в Мексиканском заливе.

Таким образом, гребенка способна скользить по диску. В ранних конструкциях изготавливался единым, без секторов, однородным и из плотного материала (см. рис.). Работал без алюминиевых конденсаторов. Физики, хорошо разобравшиеся с машиной, смогли ее усовершенствовать.

Благодарности

Авторы сердечно благодарят заморского товарища Релаторио Финала за понятные и наглядные рисунки и фото. Оригинал работы выложен на всеобщее обозрение по адресу: ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F609_2013_sem1/AlexandreD-Mauro_RF2.pdf.

Без ютубовского канала магазина Чип&Дип авторы не увидели бы замечательных скринов: .com/channel/UCUlNxWT1y3SmOmeYzqAKrWQ

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

Электрофорная машина принцип действия

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.

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.

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.

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.

Оператор за счет силы электрического привода либо собственной рукой насильно сближает отталкивающиеся элементы системы. Взаимодействующие друг с другом заряды стараются расположиться как можно дальше. Процесс способствует резкому росту поверхностной плотности зарядов во всех точках съема.

Электричество собирается в лейденовских банках с гребней нейтрализаторов. Происходит быстрый рост напряжения. Избежать выхода из строя системы помогает разрядник, прикрепленный к 2 электродам.

Возможно получение дуги различно силы при регулировании дистанции между ними.

Существует взаимосвязь: чем сильнее напряженность поля между 2 разрядниками, тем более шумный эффект сопровождает процесс опустошения банок Лейдена.

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Отрезок толстой проволоки из меди с щетками из тончайших проволочек, парящих на небольшой высоте или трущих сегменты, способствует замыканию указанных противоположностей. Результат – заряды на обоих сегментах приравниваются к нулю, вся энергия превращается согласно закону Джоуля-Ленца в тепло, образующееся на утолщенной медной жиле.

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.

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.

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:

  1. Существует 2 типа конденсаторов в конструкции: банки Лейдена, где заряд накапливается, и комбинация сегмента обоих дисков с диэлектриком и алюминиевой обкладкой.
  2. 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.

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.

Источник:

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.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.