Электрофорная машина схема работы

Электрофорная машина

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.

Источник статьи: http://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html

Электрофорная машина — электростатический генератор для экспериментов и классов физики PEG-20

Электрофорная машина
Электрофо́рная маши́на

(генератор Уимсхёрста (неправильно: Вимшурста) (англ. Wimshurst)) — электростатический генератор, электрическая машина для генерирования высокого напряжения, разработана между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом (англ.) (1832–1903). 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.

Описание работы[ | ]

Схема электрофорной машины Уимсхёрста
Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие секторы (см. схему). Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Предположим, что сектор A1 вначале несёт небольшой избыточный положительный заряд, а сектор 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 сектора 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 сектор, 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 сектором B2 (находящимся в этот момент напротив сектора 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.

Схема работы электрофорной машины. Секторы представлены движущимися квадратами, контактные щётки — стрелками. Красным цветом обозначен положительный заряд, зелёным — отрицательный.

Электрофорная машина

К зависимому авторскому свидетельству наследницы умершего

И. A. Аданиана=А. Н. Адавиан, заявленному 30 июля 1932 года (спр. о перв. № 113400)., Действительный изобретатель умерший И. А. Адавван.

Основной патент на нмя И. A. Адамиана от 31 декабря 1929 года ¹ 12302,обмененный 30 сентября 1932 года на авторское свидетельство. М ,О выдаче зависимого авторском(.свидетельства опубликовано 30 ноября 1933 года.. В основном авторском свидетельстве № 12382 описана электрофорная машина, в которой применено особое приспособление, служащее для получения двух разбивающихся на капельки струек жидкости Указанные струйки. направлены таким образом, чтобы одна из:струек падала на один из соединенных с кондукторами машины проводников и. отдавала ему заряд, индуктируемый в ней при прохождении ее мимо другого проводника.

И.в свою очередь другая струйка падает на второй проводник и по предыдущему отдает ему заряд, индуктируемый в ней при прохождении ее мимо:первого проводника.

В предлагаемой электрофорной машине,,с целью получения переменного по знаку заряда на кбндукторах, статор машины выполнен в виде нескольких, например,,трех дугообразно изогнутых пластин. Последние взаимно расположены таким образом, чтобы каждая из трех струй жидкости, выходящих из помещенного в центре прибора;, проходя мимо грани одной заряженной пластины и получая.от нее заряд, передавала его (254) соседней пластине, сообщающей, в свою очередь, заряд другой струе и,т. д. В предлагаемой электрофорной машине, схема которой изображена на чертеже, металлические дугообразно йзогну, тые пластины 7, 2 и 3, снабженные кондукторами 4, 5, б, изолированы друг от друга и от земли. Между пластинами расположен сосуд 7, из которого вода вытекает через трубки 8, .9 и N с оттянутыми концами. Каждая из струек проходит мимо одной из пластин и падает на соседнюю, при пуске всех струек машина приходит в действие, т. е. на кондукторах появляются чередующиеся по знаку заряды; например,. если на кондукторе 4 заряд оказался положительным, то на кондукторе 5 он будет отрицательным, на кондукторе б заряд снова подожительный. Однако через несколько секунд каждый из кондукторов заряжается противоположным знаком, т. е. плюс сменяется минусом и минус плюсом.

Как явление сиены знаков, так и время, в течение которого система заряжается, разряжается и снова заряжается, можно наблюдать, следя за движением листочков электроскопов 11, 12 и 13. Электроскопы действуют неодновременно, а один за другим, т. е. поочередно и периодически листочки каждого электроско па раскрываются и спадают.

Видоизменение электрофорной машины по авторскому свидетельству ¹ 12302, отличаницееся тем, что, с целью получения переменного по знаку заряда на кондукторах, статор машины выполнен в виде, нескольких, например„трех дугообразных изогнутых пластин 1, 2, 3, взаимно расположенных так, чтобы каждая из,трех струй жидкости 8, 9 и N„ выходящих из расположенного в центре прибора, проходя мимо грани одной заряженной пластины и получая от нее заряд, передавала бы его соседней пла стине, сообщающей, в свою очередь, заряд другой струе и т. д.

Эксперт Я. В. ВасильевРедактор О. С. Шайкина

Ленпромпечатьсоюз. Тнн. „Печ. Труд». Зак. 447 — 1000

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.

Электростатическая машина открывает новые свойства электричества

Важным новым элементом конструкции машины стал кондуктор (1744 г.) — металлическая трубка, подвешенная на шелковых нитях, а позднее устанавливаемая на изолирующих опорах. Кондуктор служил резервуаром для сбора электрических зарядов, образованных при трении. После изобретения лейденской банки они также устанавливались рядом с машиной.

В 60-х гг. XVIII в. электростатическая машина приобрела основные современные черты. Весьма оригинальные, простые и надежные электростатические машины были описаны в сочинении известного русского ученого энциклопедиста Андрея Тимофеевича Болотова (1738—1833 гг.) «Краткие и на опытности основанные замечания о електрицизме и о способности электрических махин к помоганию от разных болезней» (СПБ, 1803). Им были созданы даже комнатные «складные» и «дорожные» машины с диаметром стеклянного шара 20 см.

Стремясь получить наибольший эффект, некоторые изобретатели сооружали машины огромных размеров: так, например, в Лондоне хранится электростатическая машина с диаметром диска 2 м 27 см, причем вращение его осуществлялось паровой машиной (1849 г.).

Разнообразные эксперименты с электростатическими машинами и успехи в области естествознания вызывали значительный интерес к электрическим к магнитным явлениям и привели к открытию ранее неизвестных фактов. Были обнаружены два рода электричества и выявлены законы их взаимодействия, установлена «быстрота передачи электричества».

Создаются новые электрические приборы, позволившие получать и накапливать электричество в больших количествах, а также измерять его интенсивность. Начинается изучение явлений атмосферного электричества, разрабатываются первые теории электрических явлений.

Значительным шагом в изучении свойств электрических зарядов были исследования члена английского Королевского общества Стефана Грея (1670—1736 гг.) и члена Парижской Академии наук Шарля Франсуа Дюфе (1698—1739 гг.).

В результате многочисленных экспериментов С. Грею удалось установить, что «электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам», и показать (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к электричеству можно разделить на две группы: проводники (на пример, металлическая нить, проволока) и непроводники (напри мер, шелковая нить).

Продолжая опыты С. Грея, Ш. Ф. Дюфе (в 1733—1737 гг.) обнаружил два рода электричества — «стеклянное», «смоляное» и их особенность отталкивать одноименные заряды и притягивать противоположные. Дюфе также создал прототип электроскопа в виде двух подвешенных нитей, расходящихся при их электризации.

Веселовский О. Н. Шнейберг А. Я «Очерки по истории электротехники»

Как это работает — теория

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

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

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

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.

Материалы и компоненты

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

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

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

НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ

Что бы затем, полученной статикой запустить генератор — хотя бы на 10 ватт, этой мощности статики не хватит. А что бы иметь сотню ватт генератор на выходе статики, в качестве нагрузки, диаметр статики дисков должен быть не один метр. К тому же — для согласования кило ваттных генераторов с статикой дисков, у генераторов должна быть исключительно — не стандартная технология. Я бы пошёл по пути — ИСПОЛЬЗОВАНИЯ готовых стандартных в промышленности генераторов из АД.

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

• где F
  – сила, Н,
• I
  – сила тока, А,
• – длина проводника, м,
• B
  — магнитная индукция, Тл,
• — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

• где E – напряженность электрического поля, В/м,
• ds – элемент контура, м,
• Ф — магнитный поток, Вб,
• t — время, с

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

• где – электродвижущая сила индукции, В

Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Электростатический двигатель своими руками из подручных средств

В этой статье речь пойдет о том, как своими руками можно собрать простой электростатический двигатель из подручных средств. Особенность такого двигателя в том, что он приводится в работу не электромагнитным полем, как это происходит в классических электродвигателях, этот мотор работает за счет электростатического напряжения. Когда от статического напряжения создается горящая дуга, то электроды по закону кулона отталкиваются либо притягиваются. Благодаря этому явлению ротор двигателя начинает вращаться. Эта самоделка просто демонстрирует то, как можно создавать подобные двигатели. Материалы используются очень доступные, но для работы двигателя понадобится генератор статического напряжения.

Электростатический генератор своими руками

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.

Источник статьи: http://profservice24.ru/raznoe/elektrofornaya-mashina-princip-raboty.html