Как сделать электрофорную машину в домашних условиях

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.

Техника — молодёжи 1964-03, страница 20

С Василием Лавровским я познакомился в Омске. Разговор начался с самых общих тем, а потом он вдруг спросил:

— Вы когда-нибудь видели электрогенераторы, которые не имеют ни одного метра провода, но могут давать ток мощностью в сотни тысяч киловатт? Думаете, невозможно? Так вот я вам сейчас расскажу про электрогенератор, который можно построить без меди, изоляционных материалов, с ничтожным количеством электротехнической стали, без повышающих трансформаторов для передачи тока на большие расстояния.

И я услышал историю, похожую на фантастическую повесть…

ДАВНО ЗАБЫТЫЕ

Впервые электричество получили трением. На этом принципе и былн построены электростатические машины. А затем эти машины почти перестали применяться — только некоторые разновидности их используются в ядерной физике, электронике и других областях. Дело в том, что хотя они и дают ток очень высокого напряжения, но сила тока при этом ничтожно мала.

А что, если этим высоковольтным машинам дать еще мощность? Ведь тогда получится генератор с неограниченными возможностями…

Но как? Многим такая задача казалась практически неразрешимой. Однако ученые не теряли надежды. «Мне представляются совершенно возможными, — писал академик А. Ф. Иоффе больше двадцати лет назад, — электростатические генераторы на тысячи и десятки тысяч киловатт…»

Между тем до снх пор электрический ток продолжали и продолжают получать с помощью сложных, дорогих генераторов, которые работают на принципе электромагнитной индукции. ,

ГЕНЕРАТОР ИЗ КОНДЕНСАТОРА

Разноименно заряженные пластины конденсатора взаимно притягиваются. Чтобы раздвинуть их в разные стороны, потребуется затратить механическую силу, которая должна превзойти силу электрического взаимодействия. Затраченная механическая энергия уйдет на повышение разности потенциалов на обкладках конденсатора. Емкость конденсатора уменьшится, а напряжение на его обкладках возрастет.

Вот этот принцип и послужил основой для создания емкостных генераторов Лавровского.

Если мы сделаем модель, на которой одна обкладка конденсатора остается неподвижной, а вторая будет вращаться по часовой стрелке, и присоединим к коллектору и неподвижным обкладкам возбудитель, то…

Посмотрите на рисунок. Можно убедиться, что при удалении обкладки «а» от обкладки «ж» и уменьшении емкости от Смакс.до С мин. напряжение возрастет во столько раз, во сколько Смаке. ОТНОСИТСЯ К Смнн. Так, если возбудитель дает 1 ООО в,

а отношение емкостей равно 50, то генератор отдаст на нагрузку 50 тыс. в.

Но… такие машины хороши будут разве что в космосе, нбо для их успешной работы нужен абсолютный вакуум. На земле мешает малая диэлектрическая постоянная воздуха. Между пластинками или кольцами происходит разряд, накопленные заряды исчезают.

В вакууме же пробивное напряжение достигает 100 млн. в на 1 см расстояния между обкладками. В этих условиях эа счет большого напряжения можно получать и удерживать большие заряды.

Чтобы раздвинуть обкладки конденсатора. надо приложить силу.

ГЕНЕРАТОР ВАСИЛИИ

Владимир СТРЕЛКОВ, наш спец. корреспондент Рис. И. КАЛЕДИНА

В земных условиях Лавровский предложил применить материал с высокой диэлектрической постоянной — титанат бария.

…Но опять помешал воздух, на этот раз уже из-за другой своей особенности. Самая ничтожная прослойка воздуха между ротором и статором из титаната бария сводила на нет чудесные свойства керамики: с одной стороны, иметь сверхвысокую диэлектрическую проницаемость, высокую поляризацию среды, .с другой — быть хорошим изолятором. Воздух почти не поляризовался, и генератор работал с ничтожным кпд. И все-таки Лавровский нашел выход.

ВЫРУЧАЕТ МИРНЫИ АТОМ…

Ионизированный газ — вот отличная среда для поляризации!

Еслн воздух в зазоре «ротор — статор» ионизировать, то он обретает высокую диэлектрическую проницаемость, достаточную для хорошей работы машины.

Для этого надо участки ротора и статора покрыть радиоактивным изотопом с альфа-распадом. Тогда в зазоре появится нужная поляризация. Частицы с альфа-распадом позволят отказаться от сложной и дорогой защиты.

По мере разрежения воздуха количество ионизирующего изотопа, который надо применить в зазоре, будет сокращаться. И чтобы до предела уменьшить количество радиоактивных веществ и ‘вместе с тем повысить их эффективность, можно в зазоре использовать «грубый вакуум» — 5— 10 мм ртутного столба.

…ПЛЮС ПЛАСТМАССА

Но титанат бария — это керамика. Прочность ее значительно меньше стали. Ротору из титаната бария нельзя дать большое количество оборотов — он разлетится на куски.

вакуум 5″l(lft.

ВОЗБУДИТЕЛЬ

•МЕТААА.ПОКРЫТЫЙ И30ЩИ0ННЫЕ НАКЛМКИ РААШКШЫМ ШОПОМ НЗ ПЛАСТМАССЫ

А для генераторов, которые устанавливают на электростанциях, требуются скорости до 3 тыс. об/мин.

ВОЗБУДИТЕЛЬ

ТИТАНАТ БАРИЙ

НАГРУЗКА

Так может быть построена простейшая модель емкостного генератора для работы в космосе.

НАГРУЗКА

На помощь пришла керамика.

Оказалось, можно не вращать тяжелую керамику. «Бывший» керамический ротор делается неподвижным. Между ним и статором помещается металлическое н-олесо с пластмассовыми изоляционными вставками. Когда вставка во время движения находится против изолированных обкла-

До этого я уже создавал несколько генераторов статического электричества и эти проекты всегда вызывали сильный интерес. С ними очень весело проводить время и они позволяют делать много разных трюков с помощью электростатического разряда. Например, можно щелкать током своих друзей (и себя), заставлять руками частицы песка или пыли вести себя странно, так как они подвержены влиянию статических зарядов. Также можно притягивать струю воды, заряжать бумагу, чтобы она прилипала к стене и производить множество других магических трюков.

Вышеприложенное видео демонстрирует процесс сборки этого проекта, а текстовая версия ниже даст вам пошаговую инструкцию. Это третья версия моего генератора статического электричества, при этом она самая дешевая. Она позволяет создавать заряд примерно такой же, какой бывает, когда вы ловите искру от ковра, гуляя по нему в пижаме.

Ионизатор USB, который является основным компонентом проекта, можно найти здесь:

Нам понадобятся:

• Ионизатор.
• Изолированная проволока.
• Термоусадочная трубка.
• Горячий клей.
• Припой и паяльник.
• Батарейки-кнопки на 1.5v.
• Изолента.

Шаг 1: Разбираем ионизатор

Ионизаторы такого типа разбираются очень просто. Если вы будете использовать их по назначению, то корпус, скорее всего, сам треснет уже через неделю. С помощью плоскогубцев моно легко вскрыть корпус и получить доступ к плате устройства. К слову, хочу заметить, что я бы не подключал такое устройство к USB-порту компьютера. Высоковольтные устройства лучше вообще не подключать к компьютеру.

Если вы обратите внимание на последние две картинки, то заметите, что я разделил устройство на две секции. Первая часть, близкая к USB, представляет собой конвертер, который преобразует постоянный ток от USB в переменный ток, который затем проходит через крошечный трансформатор во вторую часть устройства. Вторая часть состоит из цепи четырех последовательных усилителей напряжения, которым для работы нужен переменный ток. Но в конце мы имеем постоянный ток, который направляется на белый провод.

Схема представляет как раз то, что нужно, чтобы получить статический заряд, но нам нужно модифицировать её так, чтобы она работала от батареек.

Шаг 4: Запитываем генератор

Источники питания USB, под которые проектируются такие устройства, дают на выходе 5 Вольт постоянного тока. Достаточно сложно найти батарейку с таким же напряжением, но обычно электроприборы могут работать в небольшом диапазоне напряжений, поэтому мы можем совместить три батарейки на 1.5V и этого вполне должно хватить.

Чтобы соединить их, оголите небольшой участок заземляющего провода (также оставив длинный изолированный его конец) и согните его, чтобы можно было придавить этот участок к отрицательной клемме батареек. Я добавил к оголенной части немного припоя и она стала держать форму.

Затем поместите пачку батареек между двумя проводами, положительный вход совместите с положительной клеммой батареек, а заземляющий провод соедините с отрицательной клеммой батареек. Небольшое количество изоленты удержит батарейки вместе и плотно прижмёт провода к их клеммам.

При желании на положительный провод можно припаять выключатель, но я решил, что устройство будет всегда включено. Для выключения я просто просовываю небольшую пластиковую пластину между батареек, и она разрывает соединение.

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.

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.

Как это работает — теория

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

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

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

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

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

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

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

Введение

История исследования и открытий в области электричества тесно связана с использованием разнообразных конструкций электрических машин устройств, для получения электрических зарядов, называемых также электростатическими машинами. Конструкция электростатических машин основана на принципе получения электрической энергии за счет механической работы, затрачиваемой при приведении в движение (вращение) подвижных частей машины, в первую очередь, на преодоление сил притяжения или отталкивания, действующих в каждый момент между разноименно и одноименно наэлектризованными движущимися частями машины.

Изучение принципов действия электростатических машин, подразделяемых на машины трения и электрофорные машины, способствовало лучшему пониманию природы электричества, поэтому они являлись не только устройствами для получения больших электрических зарядов, но и научно-исследовательскими стендами.

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

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

Конструкция электрофорной машины

Первая электростатическая машина появилась около 1650 г. Ее сконструировал немецкий ученый, бургомистр Магдебурга 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.

Электрофорная машина была создана в 1865 немецким физиком-экспериментатором Августом Теплером. Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорную машину изобрёл другой немецкий физик Вильгельм Гольц (1836-1913). Машина Гольца по сравнению с машиной Теплера позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока. В то же время она имела более простую конструкцию. Между 1880 и 1883 годом её усовершенствовал английский изобретатель Джеймс Вимшурст. Используемые в настоящее время для демонстраций электрофорные машины представляют собой модификации машины Вимшурста.

Электростатика — раздел электродинамики изучающей взаимодействие неподвижных электрических зарядов. В процессе изучения этой науки в качестве демонстрационного вспомогательного прибора используют электрофорную машину или генератор Вимшурста. Она предназначена для получения больших зарядов и высоких разностей потенциалов. Используя явление электромагнитной индукции на полюсах машины накапливаются электрические заряды, а разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт. Ее прототип был создан в 1865 году. Машина состоит и двух вращающихся в противоположные стороны дисков. На стойках двух лейденских банок. Внешние обкладки банок соединены между собой по средствам подвижной пластины расположенной между двумя зажимами, внутренние соединены с отдельными кондукторами. Ручки кондукторов изолированы во избежание удара током при изменении положение кондукторов относительно друг друга. На внешней стороне дисков нанесены аллюминивые секторы. В соприкосновение с ними входят счетки. Диски приводятся в движение непосредственно при помощи ременной передачи (рисунок 1). Все части машины смонтированы на пластмассовых стойках, которые вместе с лейденскими банками укреплены на общей деревянной подставке. При вращении дисков один из секторов несет некий положительный заряд, а противоположный ему сектор отрицательный. Когда секторы движутся в разные стороны их потенциалы растут за счет работы выполняемой против сил их электростатического притяжения. При вращении дисков происходит разделение заряда. Между кондукторами мы видим разряд и слышим треск. Сила тока зависит от быстроты вращения дисков. Она не велика, но напряжение огромно. Поэтому не допускается контакт с кондукторами.

Рисунок 1

Принцип действия электрофорной машины

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

Рисунок 2

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

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.