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.
За счет повышения показателей поверхностной плотности происходит съем заряда в приборе. В единичной точке делаются энергетические запасы в банке Лейдена, другое место служит для изменения знака. Индукционные нейтрализаторы практически не имеют отличий. Они оба выполняют общую функцию нейтрализации энергии. Общая схема:
- Существует 2 типа конденсаторов в конструкции: банки Лейдена, где заряд накапливается, и комбинация сегмента обоих дисков с диэлектриком и алюминиевой обкладкой.
- Понижением заряда алюминиевых сегментов занимаются 2 вида нейтрализаторов. Первый используется для смены знака или поляризации, второй для зарядки лейденовской банки.
Вся энергия поступает не от трения алюминия и меди или электризации воздуха. Она создается за счет принудительных наполнений конденсаторов силой кручения диска. Все процессы выполняются благодаря резкому повышению в точках съема поверхностной плотности зарядов.
Применение электрофорной машины
С 70-х гг. машина Вимшурста не используется для непосредственной добычи электрической энергии. Сегодня она выступает историческим экспонатом, иллюстрирующим историю возникновения и развития научно-технического прогресса и инженерной мысли. Лабораторная демонстрация, для чего создают электрофорную машину, показывает различные явления и эффекты электричества.
Допустимо использование индукционных нейтрализаторов, снимая заряды с жидких диэлектриков, например нефти. На любом производстве в воздухе получить искру опасно, это может привести к пагубным последствиям, задымлению и даже взрыву.
История открытий и исследований в области электричества имеет тесную связь с применением различных конструкций и устройств для получения электрических зарядов. Свою роль в научных изысканиях сыграла электрофорная машина, действие которой основано на возбуждении электричества благодаря индукции.
^ Электрофорная машина – режим электростатического генератора
Электрофорная машина – определение
принцип работы электрофорной машины в виде анимации с пояснениями
^ Принцип действия электрофорной машины
Электрофорная машина двойного вращения состоит из двух встречно вращающихся дисков (H). На обоих дисках находятся проводящие сегменты (B), 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 нейтрализатор"у, который отводит заряд щетками с двух противоположных сегментов диска на землю.
С левой и правой стороны дисков находятся коллекторы (S). В них поступают сгенерированные заряды снятые гребенками с краев как переднего, так и заднего диска.
В большинстве случаев заряды собираются в высоковольтные конденсаторы, такие как например,Лейденская банка для произведения более сильных искр.
Принцип действия Электрофорной машины - использование на обоих дисках способа взаимного усиления. Только применением секторов на дисках вообще будет возможно достичь эффекта. Имеются также модели, которые работают с чистыми дисками, однако они выдают также не такие высокие напряжения. Когда диски покрыты плоскими обкладками она состоит в принципе из многих конденсаторов, которые образуются двумя противоположными секторами поэтому расстояние между дисками пожалуй имеет существенное значение. Во время вращения обкладки конденсатора раздвигаются, вследствие чего неодноименные носители заряда разносятся на все большее расстояние друг относительно друга, что эквивалентно повышению напряжения. На дисках электрофорной машины заряды с противоположной полярностью всегда текут в противоположных направлениях. При этом Нейтрализаторы имеют решающее значение определять нулевой потенциал.
Правильная установка нейтрализаторов
Положение Нейтрализаторов должно быть в машине при направлением вращения рукоятки по часовой стрелке всегда слева сверху справа внизу, безразлично с какой стороны смотреть на машину. Они должны своевременно отводить не перехваченные коллекторами заряды, прежде чем те могут попасть к другому коллекторному электроду.
Мало кто знает, что положением нейтрализаторов можно устанавливать выходное напряжение машины. Положение нейтрализаторов говорит о том, как далеко заряды могут быть разнесены друг от друга, и каким высоким может стать напряжение. Если дуги расположены таким образом как на этой картине - круто, так что они почти касаются приводных ремней, машина настроена на высокое выходное напряжение при незначительном токе. Для достижения большой ширины пробойного промежутка нужно выбирать эту установку.
Если дуги ставятся напротив почти паралленьно электродам коллектора, то машина устанавливается на высокий выходной ток. Эта установка рекомендуется для большинства экспериментов таких, например, как с электростатическими моторами с дисковыми elektrostatischen Scheiben и цилиндрическими Walzenläufer роторами, в которых речь не идет об искровом разряде.
На практике все более маленькие потери на коронный разряд происходят в вершинах гребенок съема напряжения (происходящие например из-за частиц пыли) или когда слишком мало съемных электродов. Вследствие этого постоянно исчезает заряд. Если машина настроена на высокое выходное напряжение, то может случаться иногда, что она не может выдавать достаточный ток, чтобы покрывать затраты. Искровой разрядный промежуток опять уменьшается. Таким образом в установке нейтрализаторов должен быть найден компромисс.
Далее, степень эффективности машины может увеличиваться вводом высокоомных сопротивлений в Нейтрализатор. При внесении значительного высокоомного сопротивления в нейтрализатор машина не сможет достичь высокого КПД. Здесь мог бы находится ключ к функционированию Testatika который может быть в том, что Нейтрализатор вместе с другими элементами переводят энергию не в сопротивление, а используют ее для движения дисков.
Определение полярности
При таких высоких напряжениях отрицательный и положительный полюса имеют совершенно различные качества. Так как никакой из обоих электродов подключенных к коллекторам не заземлен, в распоряжени имеются обе полярности. После накапливания машиой заряда не определено какой электрод имеет какую полярность, поэтому она должна всегда проверяться.
Устанавливают испытываемый электрод как на этой картине далеко от другого, чтобы искра пробила в стержень другого электрода. Если будет слышим слабый шипящий звук, с едва видной искрой, нижний электрод - отрицателен. Если же, постоянно проскакивают искры, то этот электрод положителен. Заявление для этого различного поведения зависит от того, что носители заряда, теснятся на отрицательном электроде, в то время как на положительном едва имеются заряды. На отрицательном электроде поэтому гораздо раньше образуется коронный разряд, чем на положительном.
Полярность может устанавливаться согласно здесь описанного опыта также совершенно легко неонкой Glimmlämpchen или с несколько более дорогостоящей Электрополевой мельницей Feldmühle
Это поведение(отношение) выражается в сверх этого совершенно противоположным световом эффекте для полярностей. Для него, как было признано, несколько умеренную картину, электрофорная машина запускалась с выключенными конденсаторами. В электроде положительного полюса видно явление, которое похоже на плазменный шар с многими отдельными нитями, которые могут быть длиной до 10 см. Тем не менее, световой эффект так слаб, что его можно наьлюдать только в полностью затемненном помещении.
Реверсирование электрофорной машины
В электрофорной машине заложен также и принцип мотора, т.е она обратима. Если две аналогичные машины подключить друг к другу, и если одну вращать - она будет вырабатывать напряжением а другая вращаться. В машине - моторе трение должно быть уменьшено так как только возможно. Кисточки должны скользить очень легко по сегментам, а приводные ремни нужно снять. В машине-моторе могут быть сделаны следующие наблюдения:
Она вращается в противоположном направлении, вращению машины-генератора. Перекрещивая нейтрализаторы (очевидно имеется ввиду на поворачивая их оба на 900 от их первоначального положения, ) направление вращения может быть изменено на противоположное. Если она раскручивается в обратном направлении, то в этом случае направление вращения изменяется и продолжается в правильном направлении.
Она принципиально сама не раскручивается. Диски должны раскручиваться в заявленном Нейтрализатором направлении одинаково и в противоположных направлениях. Это происходит если сегменты нагружены и машина быстро останавливается, раскручиваться она должна самостоятельно. Если происходит плавный выбег дисков, то она станет снова генератором, как это происходит становится слышно, и вследствие этого происходит потеря зарядов. Если она имеет направление вращения в противоположном направлении генератору, направление напряжения изменяют под углом 90 ° к коллекторам, сверху и снизу.
Диски синхронизируют себя в движении противоположном по направлению самостоятельно и на приблизительно равное число оборотов. Если один диск стоит, движущийся вращается вдвое быстрее. Если заторможенный диск приходит снова в движение, она изменяет число оборотов.
Крутой угол при Нейтрализаторе соответствующий установке на высокое напряжение в случае с генератором, дает в итоге более высокое число оборотов с мотором, пологий угол -более незначительное число оборотов.
Особенно интересно то, что это функционирует полностью без Нейтрализатора. Затем машина достигает наивысшего числа оборотов. Это показывает нам, что в принципе возможна работа в режиме мотора без электрического контакта с сегментами. Этот принцип применен в некоторых оригинальных электростатических моторах.
В техническом развитии электростатические машины пока в мире остались позади магнитных. Хотя сегодня мало кто думает о том, чтобы реализовать экономичный электростатический мотор, и в основном пока электрофорная машина рассматривается только лишь как игрушка и наглядное пособие по электротехнике для занятий физикой. Однако, как раз в электростатике и скорее всего и может быть скрыт ключ к Свободной энергии, и пример работающего устройства такого типа в режиме вечного генератора типа таинственная Тestatika явно указывает нам на это.
Общий вид установки
^ Автономный электростатический электрогенератор Тестатик Швейцария
Электрическая схема
Структурный синтез АИЭ на основе электростатических генераторов
Для получения высоковольтного постоянного напряжения ЭЭ при малых габаритах и с высокой эффективностью, однозначно,нужно использовать явление электростатической индукции и электростатические машины -как наиболее эффективный и простой путь получения высокого напряжения. Именно так и можно осуществить реально такую концентрацию электрического поля электростатическим методом, например, в простом отработанном серийном устройстве типа электрофорной машины. Причем в ней можно без труда –при определенной несложной ее модернизации -получить реально величины выходного высокого напряжения ЭЭ порядка 200-300 киловольт.
Ниже приведено фото возникновения высоковольтной электрической дуги с выхода стандартной школьной электрофорной машины – на расстоянии порядка 6-7 см между электродами. присоединенными к ее лейденским банкам- накопителям электрических зарядов. Это расстояние между электродами и электрическая дуга между ними в реальном опыте наглядно доказывает реальное достижение выходных напряжений с электрофорного стандартного электрогенератора –порядка 60-70 кв.
При повышении скорости вращения дисков такого устройства от маломощного электропривода, к примеру от стандартного кулера РС через понижающий редуктор примеру и в случае применения вакуумированной полости для них можно достичь и выходные напряжения намного более -до 200- 300 киловольт.
Значит – даже при электрическом токе нагрузки всего в 0,1 а на таком напряжении постоянного тока порядка 200-250 кв – мы получаем в нагрузке выходную мощность такого высоковольтного генератора порядка 20-25 квт
Р= U x I =250 000 вольт х 0,1 а = 25 000 ватт = 25 квт
^ ПОИСК ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Анализ физических процессов малозатратного и эффективного получения электроэнергии в виде высоковольтных электрических потенциалов привел к двум основным техническим решениям реализации техзадания,а именно выполнение данного компактного и экономичного электрогенератора на 20 квт целесообразнее всего делать следующим образом:
на основе стандартных малогабаритных простых электрофорных машин, рабочие диски которых приводятся во вращение с нужной скоростью дополнительными специальными маломощными электродвигателями с редуктором
Причем преобразование параметров ЭЭ осуществляем на основе оригинальных импульсных преобразователей напряжения постоянного тока с них в специальных импульсных разрядникам с получением и прерыванием в них высоковольтной электрической дуги
на основе оригинальных трансформаторов Тесла с в сочетании с вакуумными электро –радио лампами -источниками мощной электронной эмиссии
различным структурным и схемным сочетанием этих двух видов устройств по п.1,2
^ ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ СИЛОВОЙ КОНСТРУКЦИИ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (АИЭ)
Ниже приведены основные силовые структуры АИЭ на основе электрофорной машины
Рис.1 Блок- схема АИЭ на основе электростатического генератора –укрупненная
Обозначения: Первые 1-3 –функциональные блоки устройства
Рис.2 Блок- схема АИЭ из электростатического генератора и преобразователя
Электростатический генератор –сепаратор электрических зарядов
Первичный преобразователь параметров электроэнергии
Вторичный преобразователь параметров электроэнергии
коммутатор
трансформатор
Рис.3 Блок- схема АИЭ на основе электростатического генератора – с преобразователем параметров электроэнергии -электрическими разрядниками, модуляторами –и демодуляторами
Обозначения:
Электростатический генератор –сепаратор электрических зарядов
Первичный преобразователь параметров электроэнергии
Вторичный преобразователь параметров электроэнергии
электромагнитный коммутатор электрической дуги
индуктивный повышающий трансформатор –трансформатор Тесла
электронный –инжектор усилитель- на основе электронной(ых) вакуумной (ых) лампы(ых)-источник(и) –источников мощной электронной эмиссии
модулятор выходного напряжения
понижающий трансформатор и демодулятор выходного напряжения
^ Пояснения к рис.3
Техническая идея данного устройства (рис.3) состоит в обеспечении мощной электронной эмиссии с катодов вакуумных ламп (блок 7). Причем обеспечиваем крайне высокое напряжение для возникновения данной взрывной электронной эмиссии с них оригинальным трансформатором Тесла. Конструктивно это достигается последовательным соединением электростатической машины малой мощности через разрядники, размещенные последовательно с одной из лейденских банок, на выходе электрофорной машины
Блок 2 – необычный электромагнитно - управляемый разрядник –коммутирующий высоковольтную электрическую дугу в нем с высокой частотой например импульсным электромагнитом, В итоге высоковольтное постоянное напряжение с лейденских накопительных банок преобразуется таким образом в импульсное переменное высокое напряжение, что позволяет его далее трансформировать обычным серийным высокочастотным трансформатором малых габаритов посредством трансформатора Тесла в сверхвысокое напряжение повышенной частоты порядка 500- 800 кв. 200- 500 кгц и выше И затем после трансформации его на данной высокой амплитуде и частоте -далее обеспечиваем мощную электронную эмиссию с игольчатых катодов вакуумных электронных ламп (блок 8)и затем преобразуем эту электроэнергию с высокими амплитудой и частотой уже в требуемую амплитуду и частоту напряжения 50 герц -простым относительно компактным высокочастотным трансформатором и электронным демодулятором
И в итоге такого двойного преобразования параметров электроэнергии получаем нужные нам параметры электроэнергии в нагрузке (220 вольт 50 герц) весьма просто и дешево.. Причем отметим, что в данном предлагаемом варианте генераторного на основе электрофорной машины и оригинального преобразовательного устройства типа “модулятор- демодулятор” эту эффективную трансформацию параметров электроэнергии мы осуществим изящно, относительно дешево и просто и при минимальных габаритах такого преобразователя напряжения.
Данная структура АИЭ благодаря нескольким каскадам генерации и усиления мощности электроэнергии может теоретически обеспечивать выходную электрическую мощность в нагрузке до 1-2 мвт электроэнергии Однако ее реализация в виде опытного образца достаточно сложна и требует напряженной слаженной работы целого коллектива ученых, электронщиков,схемотехников и наладчиков.
Ниже рассмотрим более простой вариант структуры АИЭ – применимый в автономном электроснабжении нагрузки на выходную мощность до 20-30 квт
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.
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%.