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.

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%.

Электрофорная машина
(генератор Вимшурста)

Электрофорная машина работает как непрерывный источник электрической энергии. Этот прибор используют зачастую как вспомогательный для демонстраций различных электрических явлений и эффектов.

Электрофорная машина (генератор Вимшурста)

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.

Электрофорная машина

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.

Электрофорная машина

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.

Электрофорная машина

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.

Электрофорная машина работает как непрерывный Этот прибор используют зачастую как вспомогательный для демонстраций различных 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 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 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 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.

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.

Сборка машины Вимшурста

В этом видео уроке будем собирать электрофорную машину, которая представляет из себя генератор . В начале рассматриваются общие вопросы по назначению и конструкции этой машины, потом подробно показаны все шаги по ее изготовлению своими руками.

Что представляет из себя электрофорная машина?

Устройство состоит из основания, на котором крепятся ее детали. Также в ее состав входят две стойки с осями, на которых крепятся два диска с металлизированным покрытием. Имеются также две лейденские банки, которые являются, по сути, конденсаторами или накопителями заряженных частиц. Разрядники, которые функционируют по мере накопления заряда конденсаторов, съемники заряженных частиц с передней и с задней стороны дисков. Диски приводятся в движение при помощи ременной передачи. Мы крутим ручку и за счет этого происходит вращение дисков.

Первые генераторы статического электричества были одновременно изобретены в Германии в одно и то же время Августом Теплером и, независимо от него, Вильгельмом Гольцем. Принцип работы электрофорной машины. Поскольку диски вращаются относительно друг друга в противоположные стороны, они создают положительные и отрицательные заряды. При вращении дисков по мере накопления зарядов происходит разряд.

Авторы видео решили изготовить данную машину, которую можно повторить своими руками в обычных домашних условиях. На сайтах в интернете есть несколько примеров создания такого генератора, но данная конструкция будет иметь двигатель.

Сначала были сделаны чертежи будущей машины. В первую очередь были рассчитаны параметры диска. После проделанной предварительной работы приступили к созданию устройства.

Основные детали

Машина будет состоять из следующих элементов. Это 2 диска, которые будут вращаться в противоположные стороны, они будут сделаны из CD-дисков. Два двигатель от компьютерного кулера, которые будут приводить их в движение. Диск будет приклеен двухсторонним скотчем на ротор мотора. Сам двигатель крепится к стойке. Стойки будут сделаны из оргстекла. Также будут использованы лейденские банки. Это пустая металлическая емкость, от которой идет один контакт, далее полистироловый диэлектрик и латунный контакт.

Изготовление электрофорной машины

Для начала нужно снять покрытие с диска, чтобы получить прозрачную заготовку. Для этого используем канцелярский нож. Для создания рабочего диска нужны эскизы, они выполнены на компьютере. Шаблон лепестка можно изготовить из подходящего материала, для этого хорошо подойдет банковская карта.

Теперь, используя шаблон, приступаем к разметке на скотче. Прикладываем шаблон и вырезаем все нужные фрагменты. Всего было вырезано 20 лепестков на один диск. Должно получиться 20 секций. Угол между двумя лепестками составляет 18 градусов. Разметка производится при помощи обычного листа в клеточку и транспортира. Теперь накладываем диск точно в середину координат, при помощи ножа или шила делаем насечки по 18 градусов. Наклеиваем лепестки в соответствии с линиями. В точной аналогии с первым диском был сделан второй диск. Он был обработан, чтобы обеспечить зазор.

У мотора удаляем желтый провод. Отсекаем ребра жесткости, чтобы можно было отсоединить двигатель. Некоторое место нужно оставить под монтажные отверстия.