Электрофорная машина Гольца

Исторический период наиболее активных экспериментальных исследований в области электрических явлений связан с появлением первых электростатических машин, действие которых позволяло получать электрическую энергию благодаря совершению механической работы.

Механическая работа заключалась во вращении определенных частей машины, при котором преодолевались силы притяжения (разноименных) и отталкивания (одноименных) электрических зарядов, присутствовавших на наэлектризованных элементах машины.

Эксперименты с подобными машинами способствовали лучшему пониманию исследователями того времени самой природы электричества и принципов электрических взаимодействий.

Создание первой электростатической машины трения историки приписывают немецкому ученому Отто фон Герике, который в 1650 году впервые создал такое устройство. Это была машина, работа которой основывалась на уже известном тогда явлении электризации тел трением. Однако машины трения обладали значительным недостатком — их работа требовала приложения больших механических усилий.

В отличие от машин трения, созданные позже электрофорные (индукционные) машины были лишены этого недостатка, поскольку для получения электрической энергии им не нужно было прямого контакта электризуемых частей с индуктором (с той частью, которая вызывала электризацию).

Так, первая электрофорная машина, то есть такая электростатическая машина, которая не требовала взаимного трения ее частей для получения электризации, была построена в 1865 году немецким физиком Августом Теплером. Изобретатель придерживался мнения, что именно электрофорные машины позволят эффективно получать электричество за счет преобразования механической энергии.

Примерно в это же время немецкий физик Вильгельм Гольц (нем. Holtz), независимо от Теплера, спроектировал более простую и более эффективную электрофорную машину, которая производила большую разность потенциалов, и даже могла служить источником постоянного тока для осветительных целей. Именно машины Гольца стали первыми электрофорными машинами, которые появились в учебных кабинетах образовательных учреждений.

Главные части машины Гольца — два стеклянных диска и металлические гребенки, предназначенные для снятия заряда. Один из дисков закреплен неподвижно, а другой может вращаться. Диски установлены на общей оси. В одном из музейных экспонатов неподвижный диск имеет диаметр 100 см, тогда как вращающийся диск — 94 см.

Неподвижный диск опирается на эбонитовую пластину и поддерживается в вертикальном положении эбонитовыми же кружками на изолирующих стойках. В неподвижном диске вырезаны окна, на задней стороне которых наклеены неполные бумажные секторы, именуемые оправами.

Оправы оканчиваются бумажными язычками, передние заостренные края которых направлены к подвижному диску и немного изогнуты. Диски, оправы и язычки покрыты гуммилаком (смолистое вещество).

Вдоль горизонтального диаметра подвижного диска, спереди, с каждой из его сторон, установлены латунные гребенки. Эти гребенки соединены с соответствующими латунными кондукторами, на концах которых установлены проводящие шары, через которые проходят латунные стержни, оканчивающиеся с внутренней стороны шариками, с наружной — деревянными (изолирующими) ручками. Стержни можно двигать, отдаляя или сближая шарики.

К кондукторам могут быть присоединены лейденские банки (внутренними обкладками), наружные обкладки которых соединяются между собой проводником. Два латунных столбика спереди машины служат для присоединения проводов, к этим столбикам можно прислонить шарики, просто наклонив кондукторы.

Передний диск приводится во вращение посредством ременной передачи и системы шкивов, соединенных с рукояткой, с помощью которой экспериментатор и приводит данный механизм в движение. Однако, прежде чем начать работу с машиной, необходимо наэлектризовать бумажные секторы (оправы) разноименными зарядами (обозначим их как р+ и р-).

Данные оправы, будучи заряжены, благодаря явлению электростатической индукции, станут воздействовать на вращающийся диск, а диск в свою очередь будет воздействовать на гребенки О и О’.

По мере вращения диска, оправа (в окне F) с зарядом р+ наведет (индуцирует) отрицательный заряд на задней части m вращающегося диска, и заряд такого же знака будет притянут из гребенки О, опять же благодаря явлению электростатической индукции. Часть диска m’ примет отрицательный заряд от гребенки О, а сама гребенка О вместе со своим кондуктором С и шариком r поэтому станут заряжены положительно.

Итак, диск электризовался отрицательно с обеих его сторон (в местах m и m’), а кондуктор на левой стороне машины — положительно. Диск продолжает вращение, и вот, части его поверхности m и m’ подходят к окну F’, расположенному на неподвижном диске справа.

Влияние установленной здесь оправы с отрицательным зарядом p- усиливается поверхностью m’, значит с гребенки О’ в сторону диска будет притянут положительный заряд. Соответственно и кондуктор С’, и шарик r’ зарядятся отрицательно. Поверхность m принимает притянутый с гребенки положительный заряд. Диск продолжает вращение и цикл повторяется.

Электростатические генераторы считаются самыми древними источниками электрического напряжения: Как устроены и работают электростатические генераторы

Что такое электрофорная машина и как она работает?

Генератор Вимшурста или электрофорная машина — это индукционный электростатический прибор, созданный как непрерывный источник электрической энергии. В XXI веке используется как вспомогательная техника для демонстрации физических опытов, касающихся различных электрических эффектов и явлений.

Немного из истории изобретения

В 1865 г. физик-экспериментатор из Германии Август Теплер разработал итоговые чертежи электрофорной машины. Одновременно с этим было сделано второе независимое открытие подобного агрегата немецким ученым Вильгельмом Хольцем. Главным отличием прибора была возможность получать большую мощность и разность потенциалов. Хольц считается создателем источника постоянного электрического тока.

Простая начальная конструкция применения электрофорной машины в 1883 г. была усовершенствована Джеймсом Уимсхерстом из Англии. Его модификация используется во всех физических лабораториях для наглядной демонстрации опытов.

Конструкция электрофорной машины

2 соосных диска вращаются друг против друга, неся при этом простейшие конденсаторы из алюминиевых секторов. Благодаря случайным процессам в первичный момент на участке одного из сегмента образуется заряд. Вызывается явление процессом трения о воздух. Из-за симметричности конструкции нельзя заранее предсказать итоговый знак.

В конструкции используются 2 лейденовские банки. Они создают из последовательно включенных конденсаторов единую систему. Это влияет на двойное уменьшение требований к рабочему напряжению в каждой емкости. Следует подбирать одинаковые номиналы, это залог равномерного распределения рабочего напряжения.

Снять напряжение призваны индукционные нейтрализаторы. Вся конструкция напоминает металлический гребень, парящий на некотором расстоянии над диском. В точку съема заряда приходят оба диска с эквивалентными знаками внешней поверхности. Нейтрализаторы спарены. После осуществления разгрузки сильно снижается заряд сегментов. В дополнительных конструкциях щетка легко соприкасается с краем диска.

Оператор за счет силы электрического привода либо собственной рукой насильно сближает отталкивающиеся элементы системы. Взаимодействующие друг с другом заряды стараются расположиться как можно дальше. Процесс способствует резкому росту поверхностной плотности зарядов во всех точках съема.

Электричество собирается в лейденовских банках с гребней нейтрализаторов. Происходит быстрый рост напряжения. Избежать выхода из строя системы помогает разрядник, прикрепленный к 2 электродам. Возможно получение дуги различно силы при регулировании дистанции между ними. Существует взаимосвязь: чем сильнее напряженность поля между 2 разрядниками, тем более шумный эффект сопровождает процесс опустошения банок Лейдена.

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Отрезок толстой проволоки из меди с щетками из тончайших проволочек, парящих на небольшой высоте или трущих сегменты, способствует замыканию указанных противоположностей. Результат — заряды на обоих сегментах приравниваются к нулю, вся энергия превращается согласно закону Джоуля-Ленца в тепло, образующееся на утолщенной медной жиле.

Что такое банки Лейдена

Первым электрическим конденсатором, созданным учеными из Голландии Питером ван Мушенбруком, была лейденская банка. Изобретенный конденсатор имеет форму цилиндра с широким или средним горлом разного диаметра. Лейденскую банку делают из стекла. Изнутри и снаружи она оклеена специальным листовым оловом. Прикрывается изделие деревянной крышкой. Главной функцией изобретения является накопление и хранение больших зарядов.

Стимулировало создание такой банки широкое изучение электричества, общей скорости его распространения, а также свойств проводимости электроэнергии различных материалов. Благодаря ей получилось впервые добыть электрическую искру искусственным путем. Сейчас банки Лейдена применяются только как неотъемлемая часть электрофорных машин.

Каков принцип работы электрофорной машины

Из силы оператора берется энергия для смены знаков. Уже между уравнителями и щетками диски двигаются со взаимным отталкиванием навстречу друг другу. Свою роль играет количество оборотов в минуту. Повышена плотность заряда. Сильнейший заряд противолежащих дисков выталкивает остатки через отрезки медной проволоки. Из этого вытекает энергия, достаточная для смены знака.

Генератор статического электричества своими руками

Сущность электрофорной машины

Сборка машины Вимшурста

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

Посмотрите на выбор ручных генераторов в этом китайском магазине.

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.