электрофорная машина. мои исследования в области физики

Электрофорная машина

«Мои исследования в области физики»

Подготовила: Линник    Анастасия Сергеевна

ученица 10 класса

МБОУ «Средняя школа №37»

г Дзержинск

2015  г.

Содержание

I.        Введение        

II.        Теоретическая часть.        

§1. Конструкция электрофорной машины        

§2 Устройство и принцип работы машины        

§3  Современные машины, область их применения.        

III.        Практическая часть        

§4 Изготовление электрофорной машины в домашних условиях.        

§5  Испытание машины.        

§6  Опыты с электрофорной машиной.        

IV.        Заключение        

V.        Список использованной литературы        

 «Вся жизнь — это эксперимент.

И чем больше вы делаете

экспериментов, тем лучше».

 Ральф Уолдо Эмерсон

1. Введение

Электростатика - раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Электрическое поле. Взаимодействие заряженных частиц можно описать двумя способами:

1. Один заряд через пустое пространство непосредственно действует на другой заряд (дальнодействие).

2. Взаимодействие передается через посредство электромагнитного поля. На заряд действуют не другие заряды, а поле, находящиеся в той же точке пространства (близкодействие). Остальные заряды вступают в роли источников этого поля.

Отметим, что в рамках электростатики оба подхода совершенно эквивалентны. Однако при переходе к описанию движущихся зарядов дальнодействие встречается с непреодолимыми трудностями. Главная трудность заключается в том, что при смещании одного заряда сила, действующая на другой заряд, изменяется не мгновенно, а через какое-то конечное время (явление запаздывания). Это значит, что в пространстве между зарядами находится материальный посредник (поле), осуществляющий передачу сигнала с конечной скоростью. В вакууме эта скорость равна скорости  света с=3*10 8 м/c

В процессе изучения этой науки, в качестве демонстрационного вспомогательного прибора используют электрофорную машину или генератор Уимшерста.

Помимо Уимшерста есть ещё ученые, которые изучали науку электростатику и прославились в этом направление:

Иоффе Абрам Федорович (1880-1960) – известный физик, академик, один из крупнейших организаторов физических исследований в нашей стране. Ему принадлежит ряд открытий в области учения о твёрдом теле, диэлектриках и полупроводниках.

Кулон Шарль Огюстен (1763-1806) – французский физик, военный инженер. Изобрёл прибор для установления основных законов электрического и магнитного взаимодействий. Изучал различные виды трения и сформулировал законы трения скольжения и качения.

Ампер Андре Мари (1775-1836) – французский физик и математик. Он создал первую теорию, которая выражала связь электрических и магнитных явлений. Амперу принадлежит гипотеза о природе магнетизма, он ввел в физику понятие «электрический ток».

Вольта Алессандро (1745-1827) – итальянский физик, один из основателей учения об электрическом токе, создал первый гальванический элемент.

Ом Георг (1787-1854) – немецкий физик. Он вывел теоретически и подтвердил на опыте закон, выражающий связь между силой тока в цепи, напряжением и сопротивлением.

Джоуль Джеймс Прескотт (1818-1889). Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока.

Ленц Эмилий Христанович (18-4-1865) – один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего направление индукционного тока.

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.

            Кто в юности не мечтает сделать выдающиеся открытия, изобретения? Кто не хочет удивить современников и жить в памяти потомков? Вот с этих честолюбивых замыслов и начала я свое знакомство с опытами электрофорной машиной.

 Цель: изготовить электрофорную машину из простых подручных средств, рассмотреть  и провести опыты с электрофорной машиной.

Задачи:

1. С помощью электрофорной машины продемонстрировать изучение основ электродинамики и электростатики.
2. Продемонстрировать  характер распределения зарядов на поверхности проводника.
3. Введение понятия «электроёмкость» с помощью электрофорной машины.

Теоретическая часть.

§1. 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. 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.

Электрофорная машина — демонстрационный вспомогательный прибор по теме «электричество». Использует явление электростатической индукции, при этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт.

Электрофорная машина была создана в  1865 году  немецким физиком-экспериментатором Августом Тёплером. Одновременно с Тёплером и независимо от него электрофорную машину изобрёл другой немецкий физик  Вильгельм Гольц (англ.) (1836—1913). Машина Гольца по сравнению с машиной Тёплера 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.

§2 Устройство и принцип работы 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 обеих 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, 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.

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.

Для начала нужно посмотреть из чего состоит электрофорная машина:

Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие сегменты (рисунок 1). Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Предположим, что сегмент A1 вначале несёт небольшой избыточный положительный заряд, а сегмент 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 сегмента 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 сегмент, 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 сегментом B2 (находящимся в этот момент напротив сегмента 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.

§3  Современные машины, область их применения.

Люди научили электричество ещё одной профессии – проводить в движение машины. Машинист поворачивает рукоятку выключателя. Мощные электрические двигатели начинают вращать колеса электровоза, и поезд плавно движется по рельсам.

Откуда у двигателя такая сила? Ученые заметили, что если по двум параллельно расположенным проводам токи текут в одном направлении, то провода притягиваются друг к другу, а если токи текут в разных направлениях, провода стремятся оттолкнуться друг от друга. Силы взаимодействия проводников с током и заставляют вращаться электрические двигатели.

Практическая часть

§4 Изготовление электрофорной машины в домашних условиях.

Для изготовления электрофорной машины мне понадобились следующие материалы:

- CD диски,  две штуки;
- алюминиевый скотч;
- пластиковая карта;
- компьютерные куллеры, две штуки;
- ДСП;
- оргстекло;
- алюминиевая проволока , диаметром 4 мм,  2 мм;
- медная проволока 0,5 мм и 2 мм;
- двухсторонний скотч;
- лейденские банки или не полярные конденсаторы;
- тетрадный лист;
- контакты для крепления проводов;
- Г-образные (2 шт) стойки (уголки);
- резиновые ножки;

- адаптер;

- изолента;

- саморезы;
- болты с гайками;  

-тонколистовой металл;

- клемные соединения;  

- крепеж для электропроводов.

 Первая деталь это диски, на которых будет образовываться статический заряд. Для этого возьму 2 штуки CD  дисков.

Прежде всего, нам снимаю с него покрытие.

Далее наклеиваю на него алюминиевые лепестки. Мне нужно 80 лепестков на два диска.

Вырезаю  их из алюминиевого скотча и ровно наклеиваю лепестки.

Вторая деталь – электропривод, делаю его из кулера от компьютера.

От куллера отрываю  жёлтый провод,  в дальнейшем он не понадобится

Дальше нужно отсечь рёбра жёсткости, т.е. отсоединяю мотор от корпуса куллера.

Теперь от моторчика отрываю все лопасти, они не нужны (рисунок 13).

    Далее куллер буду крепить на выпиленный кусок оргстекла, в котором тоже сверлю отверстия.

Приклеиваю моторчик к оргстеклу (далее планка) .

    Делаю те же самые операции для второго куллера.

Делаю конденсаторы из банок

Обклеиваю внутри и снаружи  банку алюминиевым скотчем.

Основание  электрофорной машины сделала   из ДСП.

На деревянном основании закрепляю  Г-образные уголки,   напротив  друг друга.

    Все компоненты машины готовы, перехожу к сборке.

На двухсторонний скотч приклеиваю резиновые ножки к деревянному основанию по углам.

На уголки прикручиваю  планку с моторчиком.

На моторчик с помощью скотча приклеиваю  диски.

Точно по центру.

То же самое делаем со вторым моторчиком.

Подробнее остановлюсь на контактах, рамках,  изготавливаю их  из алюминиевой проволоки. Все по 2-е детали.

Изгибаем проволоку и в двух местах. На концах  в этих местах сверлю дырки для изготовления контактов.  На концах из тонкой медной проволоки сделаны контакты. С помощью контактов будем снимать электрический ток и напряжение с дисков.

Вторая рамка, в виде неполной буквы "Р". Контакты так же делаю  из проволоки, которые крепятся в просверленные отверстия .

Электроды, сделала из проволоки, на конце изогнутые ручки обмотанные изолентой. Для крепления использую  клемные соединения . 

Монтаж деталей.

Прикручиваю Z-рамку к планке, а контактами прижимаем к диску.

Монтирую Р-образную рамку, креплю ее к конденсатору из банки, соединяю с электродами. Электроды могут двигаться относительно друг друга.

     Теперь проверяем наши сборные элементы и подкручиваем, чтобы ничего не болталось.

Соединяем провода электродвигателей и прикручиваем к проводам адаптера.

§5  Испытание машины.

   Демонстрация экспериментов электрических законов с применением электрофорной машины Вимшурста.

Для изучения электричества и его законов в школе на уроках физики удобно все связать с наглядностью. С этой целью нам удобно использовать электрофорную машину. Это своего рода источником электрических зарядов.

Она очень удобна и практична, поскольку в виду своего малого размера способна выдавать достаточно большое напряжение на концах кондукторов, порядка нескольких сотен тысяч вольт. И с этой целью мне бы хотелось продемонстрировать ряд экспериментов, в который электрофорная машина занимает главное место.

§6  Опыты с электрофорной машиной.

1 опыт. Опыт с гильзой.

Взять гильзу, изготовленную из алюминиевой фольги, укрепить на шелковой нити в лапке штатива. Расположить гильзу между полюсами электрофорной машины. Наблюдаем взаимодействие гильзы

2 опыт.  Два султана.

Если присоединить с помощью проводов 2 султана к разным электродам, то при сближении их друг к другу лепестки притягиваются – как будто

хватаются «ручками». А если присоединить 2 султана к одному электроду – лепестки разных султанов отталкиваются .

3 опыт. Опыт с кусочком ватки.

Взять маленький рыхлый кусочек гигроскопической ваты массой 3-5мг, установить полюсы электрофорной машины с промежутком 7-8- мм, зарядить ее слегка. Опустить кусочек ваты на один из полюсов. Что произойдет? Раздвину полюсы машины, руку расположите на расстоянии 100 мм от полюса, поместите вату между полюсом и рукой. Что произойдет?

Кусочек ватки «перепрыгивал» с полюса на полюс, приобретая заряд одного из полюсов он притягивался к другому, где получал другой – противоположный по знаку заряд.

Выводы: в результате проведения опытов, мы наблюдали взаимодействие заряженных тел.

2. Заключение

Из всего сказанного и описанного выше следует то, что электрофорная машина является одним из простых по конструкции и эффективным источником заряженных частиц. Эта компактность, сочетание простоты и практичности положительно сказывается на проведении большого числа экспериментов, проводимых в учебных классах и лабораториях. С помощью казалось бы простой машины можно рассмотреть и понять довольно многие процессы электричества в условиях класса, а это в свою очередь будет улучшать представление учащихся на понимание и восприятия материала в дальнейшем. На примере данной работы мы изучили основы электродинамики и электростатики, продемонстрировали характер взаимодействия заряженных тел, ввели понятие «электроёмкость» с помощью электрофорной машины. И это еще не все, что можно проделывать с нашей машиной. И все это почти с помощью одной установки. Электрофорная машина – неотъемлемая часть учебного процесса.

3. Список использованной литературы

1. Анциферов Е.В., Пищиков И. М., Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента: учебное пособие для студентов пед. ин-ов по физ. – мат, спец. – М.: Просвещение, 1984 г. – 255 стр.
2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: часть 1, под ред. Покровского – 3-е- изд., перераб. – М.: Просвещение, 1978 г. – .351 стр.
3. Марголис А. А. и др. Практикум по школьному физическому эксперименту: учебное пособие для студентов физ. – мат. пед. ин-ов. 3-е изд., перераб. и дополн. – М.: –Просвещение, 1977г. – 303 стр.
4. Оспенникова Е. В., Формирование у учащихся экспериментальных умений и навыков на 1-ой ступени их обучения физике: методические рекомендации. – Пермь, 1985 г. – 58 стр.
5. Рыжаков М. Ю., Современная школьная энциклопедия. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2009г.
6. Учебное оборудование по физике в средней школе, под ред. А.А. Покровского- М – Просвещение, 1978 г. – 480 стр.
7. Ханова М. С., Детская энциклопедия.  - М.:Астрель; Аст, 2006г.

Ра

Интернет-источники:

1. http://patlah.ru/
2. https://ru.wikipedia.org