Машина электрофорная что это
Электрофорная машина
Электрофо́рная маши́на (генератор Уимшерста (Вимшурста) (англ. Wimshurst )) — демонстрационный вспомогательный прибор по теме «электричество». Использует явление электростатической индукции, при этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт.
Содержание
Описание работы
Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие сегменты (см. схему). 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.
История
См. также
Примечания
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Электрофорная машина» в других словарях:
электрофорная машина — elektrostatinės indukcijos mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. influence machine vok. Influenzmaschine, f rus. электростатическая машина, f; электрофорная машина, f pranc. machine à influence, f; machine électrostatique à influence … Fizikos terminų žodynas
Электрофорная машина — см. Электрическая машина … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
электростатическая машина — elektrostatinės indukcijos mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. influence machine vok. Influenzmaschine, f rus. электростатическая машина, f; электрофорная машина, f pranc. machine à influence, f; machine électrostatique à influence … Fizikos terminų žodynas
Электрический генератор — Основная статья: Электрогенераторы и электродвигатели Электрогенераторы в начале XX века Электрический генератор это устройство, в котором неэлектрические ви … Википедия
Электрогенератор — Электрогенераторы в начале XX века Электрический генератор это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию. Содержание 1 История … Википедия
электрофор — а, м. électrophore m. Простейший электростатический прибор для получения электрических зарядов путем индукции. БАС 1. Приборы, служащие для возбуждения электричества: электрофор. Энц. Дельфина. Прибор для сохранения электрического напряжения;… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
Influenzmaschine — elektrostatinės indukcijos mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. influence machine vok. Influenzmaschine, f rus. электростатическая машина, f; электрофорная машина, f pranc. machine à influence, f; machine électrostatique à influence … Fizikos terminų žodynas
elektrostatinės indukcijos mašina — statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. influence machine vok. Influenzmaschine, f rus. электростатическая машина, f; электрофорная машина, f pranc. machine à influence, f; machine électrostatique à influence, f … Fizikos terminų žodynas
influence machine — elektrostatinės indukcijos mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. influence machine vok. Influenzmaschine, f rus. электростатическая машина, f; электрофорная машина, f pranc. machine à influence, f; machine électrostatique à influence … Fizikos terminų žodynas
machine à influence — elektrostatinės indukcijos mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. influence machine vok. Influenzmaschine, f rus. электростатическая машина, f; электрофорная машина, f pranc. machine à influence, f; machine électrostatique à influence … Fizikos terminų žodynas
Как построить машину Уимшерста на 30 киловольт
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.
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.
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.
Электрофорная машина
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?
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 Приложив определенную механическую силу с помощью 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.
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:
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 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.
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:
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:
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.
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.