Электрофорная машина

Электрофорная машина – это генератор статического заряда, состоящий из двух колес, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. Часто используется учителями на уроках физики для устрашения занимающихся силой электрической дуги.

Конструкция

Конструкция изобретения Джеймса Вимхерста описана достаточно плохо в открытых источниках, поэтому многие не могут объяснить, как именно работает электрофорная машина.

Общая идея

Два вращающихся навстречу друг другу соосных диска несут на себе простейшие конденсаторы из секторов алюминия. Суть в том, что за счет случайных процессов в начальный момент на одном из сегментов – а они равномерно расположены по кругу – образуется заряд. Это может быть вызвано процессами трения о воздух или какими-либо другими причинами. Причем, поскольку конструкция симметричная, то знак заранее никто предсказать не может. Вот почему не рекомендуется ставить в электрофорную машину электролитические конденсаторы.

Вместо этого применяются две лейденские банки. Их внешние обкладки из фольги объединены, чтобы создать единую систему из последовательно включенных конденсаторов. Этим уменьшаются требования к рабочему напряжению каждой из емкостей в два раза. Номиналы должны быть по возможности одинаковыми. В противном случае требования к рабочему напряжению распределятся неравномерно, что может привести и к негативным последствиям.

Напряжение с сегментов дисков снимается при помощи индукционных нейтрализаторов. Ниже будет описан их принцип действия. Но суть в том, что конструкция, напоминающая металлический гребень, на некоторой высоте парит над диском. Нейтрализаторы спаренные, поскольку в точку съема заряда оба диска приходят с эквивалентным знаком на внешней поверхности. После разгрузки заряд сегментов сильно падает. Это обусловлено особой конструкцией индукционных нейтрализаторов, оставляющих поверхностную плотность заряда в районе 0,2 – 6 мкКл на квадратный метр. В некоторых конструкциях щетка слегка касается одним краем диска.

Прогрессивный рост поверхностной плотности заряда на сегментах в точке съема обусловлен тем, что навстречу друг другу движутся системы, создающие электрические поля, напряженности которых направлены в противоположные стороны. Получается, что своей рукой оператор (либо за счет силы электрического привода) отталкивающиеся системы насильно сближает. Взаимодействующие заряды пытаются расположиться как можно дальше друг от друга. Это и вызывает резкий рост поверхностной плотности зарядов в точках съема.

От гребенок нейтрализаторов электричество собирается в лейденские банки. Напряжение достаточно быстро растет, и чтобы избежать выхода системы из строя вследствие превышения допустимых параметров конденсаторов, к каждому из двух электродов прикреплен разрядник. Дистанция между ними, как правило, регулируется, что позволяет получить дугу различной силы. Чем больше напряженность поля между разрядниками, тем более шумным эффектом сопровождается процесс опустошения лейденских банок.

После точки съема заряда сегменты остаются практически пустыми. Примерно через 30 градусов по ходу движения диска стоят уравнители потенциала. Их также называют нейтрализаторами по принципу действия. Но авторы этого обзора назвали бы их уравнителями. Дело в том, что противоположные стороны диска отдали уже заряд у разных щеток. Следовательно, после прохождения точки съема знаки остатков заряда на них всегда различны. И кусок толстой медной проволоки с щетками из тонких проволочек, трущих сегменты или парящих на малой высоте, замыкают накоротко эти противоположности. В результате чего заряд на обоих сегментах становится равным нулю, а энергия превращается по закону Джоуля-Ленца в тепло, выделяющееся на толстой медной жиле.

После обнуления диски по-прежнему идут навстречу. И получается так, что освобожденный от заряда сегмент одного круга вращения оказывается напротив полупустого сегмента другого. Заряд между этими емкостями немедленно делится поровну. Поскольку диски сконструированы по одним и тем же чертежам. Следовательно, на первый взгляд являются идентичными. Когда первый диск отдает половину своего заряда, то идет на точку съема. Второй же достигает точки уравнителя потенциала первого и там отдает половину заряда.

Читайте также:  Магнитная индукция

И тут возникает вопрос – как это работает? Если один диск отдал остаточный заряд на уравнителе, и второй сделал то же самое, то где взять энергию для смены знака?) Слушайте!

Если все равно непонятно!

Энергия для смены знака на уравнителе берется также из силы оператора. Не нужно забывать, что уже между щетками и уравнителями диски движутся друг другу навстречу со взаимным отталкиванием. Поэтому плотность заряда повышена. Фактически принцип действия уравнителя ничем не отличается от съемника. Более сильный заряд противолежащего диска буквально выталкивает через медную проволоку остатки на разряжаемом, и энергии как раз хватает на смену знака.

Еще раз – в машине происходит съем заряда за счет повышения поверхностной его плотности. В одной точке энергия запасается в лейденские банки, а в другой служит для смены знака. При этом индукционные нейтрализаторы, видимо, когда-то ничем не отличались друг от друга. Оттого и путаются, что и как назвать. То и другое по сути – нейтрализаторы. Если бы замыкающую проволоку из меди со съемными щетками назвали уравнителем, то и каламбур бы исчез. И еще раз, более подробно:

  1. В этой конструкции два типа конденсаторов. Во-первых, к этому классу относятся лейденские банки, как накопители заряда. Во-вторых, каждый сегмент обоих дисков является также конденсатором с алюминиевыми обкладками и диэлектриком между ними.
  2. В машине два типа нейтрализаторов по сути их действия – понижающих заряд алюминиевых сегментов. Один служит для заряда лейденских банок, второй, как это иногда говорят, – для поляризации (смены знака).

Вся энергия в конечном итоге берется не от электризации воздухом или трением меди и алюминия, их расстыковки. Нет! Энергия получается за счет принудительного наполнения конденсаторов силой кручения дисков. А осуществляются все процессы за счет резкого повышения поверхностной плотности зарядов в точках съема.

Индукционные нейтрализаторы

Нейтрализаторы в процессе работы могут загрязняться. Следовательно, периодически их нужно чистить, иначе снижается эффективность. В машине Вимхерста сам факт уменьшения КПД мало играет роли, но если машина не работает, стоит проверить чистоту игл. В этой конструкции используется целых четыре индукционных нейтрализатора:

  1. Сдвоенные уравнители лежат практически перпендикулярно друг другу.
  2. По одному съемнику имеется на каждую лейденскую банку.

Представляют собой они щетку из тонкой проволоки, либо острых зубчатых плоских гребней (расчесок). Основа может быть как металлической, что и используется в машине Вимхерста, так и деревянной. Острия всегда металлические, поскольку их назначение состоит в том, чтобы по возможности быстро отводить заряд на заземление. Принцип действия основывается на том, что по мере приближения остриев к заряженной плоскости, все линии напряженности смыкаются на них. Образуя тем самым весьма высокие значения.

Для справки. Плотность линий поля прямо пропорциональная напряженности в данной точке.

Повышенная плотность в районе острия способствует ионизации воздуха (без искры) и образованию зарядов обоих знаков. Которые и проводят ток в нужном направлении. Параметры нейтрализаторов сильно зависят от расстояния между остриями и уменьшением радиуса их кривизны (заточкой). Применяемые на птичьих правах в машине Вимхерста проволочные нейтрализаторы в виде щеток наименее эффективны. Поэтому на съемниках стоят гребенки или иглы. Считается что для последних нейтрализаторов максимальная эффективность достигается при следующих условиях:

  • Соотношение высоты игл к расстоянию между ними от 0,6 до 1,8.
  • Длина игл не менее, чем от 12 до 50 мм и более.
  • Диаметр игл от 0,5 до 1 мм.
Читайте также:  Диэлектрики и проводники в электрическом поле

Уменьшение угла заточки за 60 градусов (повышение кривизны) в этом случае слабо влияет на свойства нейтрализатора. Иглы желательно поднести на расстояние от 5 мм к поверхности. Чем ближе, тем быстрее будет происходить съем заряда. Фактически минимальное расстояние до плоскости зависит только от собственных вибраций диска. Касание не приведет к отказу системы, но резко снизится срок эксплуатации за счет механического разрушения отдельных элементов.

В противовес общепринятому мнению, созданному от бесконечных демонстраций машины, иглы лучше всего крепить на диэлектрическом основании. Этим шагом уменьшается ёмкость между диском и гребнем, чем повышается плотность самого заряда: С = q/U, заряд уже априорно задан, откуда следует, что понижение емкости повышает разницу потенциалов (напряжение), чем облегчается процесс ионизации.

Для безопасности нейтрализатор снабжается кожухом. Поэтому нелишним будет напомнить, что никакие части (помимо ручки вращения) машины Вимхерста в период работы трогать не следует. Разумеется, могут найтись различного рода смельчаки, но всю ответственность за свои действия они оставляют на себе. Края кожуха должны быть удалены от игл нейтрализатора не менее, чем на 50 мм.

Индукционным этот тип приборов назван за то, что действует на расстоянии. Процесс носит название электростатической индукции. Это значит, что один заряженный предмет на расстоянии влияет на другой, не имеющий на себе заряда. В металле электроны слабо связаны с решеткой, поэтому легко идут в ту сторону, в которую увлекаются полем. Эффект носит поверхностный характер по той причине, что линии напряженности не могут проникнуть в металл. По-другому: заряды в толще проводника перераспределяются до тех пор, пока не нейтрализуют полностью внешнее поле.

В результате на поверхности иглы индуцируется заряд. Линии напряженности поля замыкаются на нем, одновременно сходясь со всех сторон, как показано на рисунке. Разница потенциалов неизмеримо вырастает, чем и вызывается ионизация воздуха. Она не является ударной, поэтому при работе машины Вимхерста на щетках, как правило, нет искрения.

Вместо заключения

Индукционные нейтрализаторы можно использовать и совершенно иным способом. Они могут снимать заряд с жидких диэлектриков. Например, нефти. Понятно, что на производстве любая искра вызовет негативные последствия. Достаточно вспомнить о взрыве на скважине в Мексиканском заливе.

Таким образом, гребенка может и скользить по диску. В ранних конструкциях он был единым, без секторов, однородным и из плотного материала (см. рис.). Работал и без алюминиевых конденсаторов. Как? По тем же принципам. Физики же, хорошо разобравшиеся с машиной, смогли ее усовершенствовать. Поэтому ребятня, счищающая ножиком алюминий с диска, чтобы потом опять же его наклеить, смотрится достаточно мило, но занимается по большому счету бесполезной работой.

Именно потому на западе изобретают, что там нет преград науке. Не приходится им босиком идти за много верст до ближайшей Академии, где и не факт, что встретят с распростертыми объятиями. Имеется и еще один момент: отечественная наука любит присваивать себе чужие заслуги. За это откровенно ее не очень жалуют во всем образованном мире. В частности, Смитсоновский институт даже не рассматривает Шиллинга в споре о том, кто изобрел телеграф.

Благодарности

Авторы сердечно благодарят заморского камарадо Релаторио Финала за понятные и наглядные рисунки, а также и некоторые фото. Оригинал работы выложен на всеобщее обозрение по адресу: ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F609_2013_sem1/AlexandreD-Mauro_RF2.pdf.

Без ютубовского канала магазина Чип&Дип и у нас бы не было таких замечательных скринов: youtube.com/channel/UCUlNxWT1y3SmOmeYzqAKrWQ