Электрофорная машина

Содержание Введение.

1. Конструкция электрофорной машины.

1.2. Принцип действия электрофорной машины.

2. Демонстрация экспериментов электрических законов с применением электрофорной машины Вимшурста.

2.1 Взаимодействие наэлектризованных тел.

2.2 Распределение зарядов на поверхности проводника. Электрический ветер

2.3 Понятие об электроемкости.

2.4 Электрический ток в газах. Ионизация газов Заключение Список использованных источников.

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.

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 (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.

1.2 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.

2. 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.

2.1 Взаимодействие наэлектризованных тел Опыт со струей для демонстрации ее электризации. Для этого устанавливают колбу с краником на штатив с подставкой, установленной на некоторой высоте, что бы струя вытекающая из колбы была хорошо видна. После в колбу с водой опускают длинный проводник, который соединен с одним из кондукторов электрофорной машины. Саму машину устанавливают на достаточном расстоянии от струи.

Сначала открывают краник и вода льется без электризации, при этом обращают внимание учеников на характер струи, у которой лишь в самом конце струи наблюдается легкое разбрызгивание. После медленно приводят в действие электрофорную машину и наблюдают, как струя почти у самого выхода начинает разбиваться и далее разбрызгиваться. Это объясняется тем, что проводник, который находиться в колбе, подключен только к одному из кондукторов электрофорной машины. На нем накапливаются одноименные заряды. Вследствие чего кондуктор разряжается посредством проводника и заряды поступают в воду, а когда вода льется из краника, то одноименно заряженные капли воды отталкиваются друг от друга. Но стоит только прекратить вращать диски машины и разрядить кондукторы, то мы сразу же увидим, как струя примет исходной состояние, обусловленное отсутствием одноименных зарядов.

2.2 Распределение зарядов на поверхности проводника. Электрический ветер Для начала нашего опыта нам понадобиться установить металлическую сетку, сетку Кольбе, с бумажными лепестками поверх сетки на изолированные штативы вдоль прямой линии (рисунок 3). На одном из концов сетки закрепляют проводник, идущий от одного из кондукторов электрофорной машины, на котором образуется многочисленное количество одноименных зарядов. Приводя электрофорную машину в действие, мы тут же обращаем внимание на характер изменения положения лепестков. Сетка Кольбе и бумажные лепестки в следствие подачи на них одноименно заряженных частиц заряжаются одинаково этими зарядами, а вследствие чего мы видим, что заряды распределились по всей длине сетки, так как лепестки по всей длине отклонились от сетки.

Рисунок 3.

Теперь изменим расположение металлической сетки, поместим ее не вдоль прямой, а изогнем различным способом (рисунок 4). Как только мы начнем пропускать заряды через кондуктор электрофорной машины, то мы сразу же пронаблюдаем следующую картину. Заряды в этом случае так же распределятся по всей длине сетки, но на вогнутых стенках их действие будет сильней, чем на выпуклых. И вследствие этого лепестки на вогнутых стенках опадут, они будут прижиматься к ней под действием зарядов в сторону выпуклой стенки, а на выпуклых будут отклоняться сильнее.

Рисунок 4.

Еще одни опыт для демонстрации распределения зарядов на поверхности проводника — опыт, где у проводника один из концов заострен, выглядит в виде острия. Для демонстрации этого явления закрепляют на изолированном штативе металлический стержень с острием на конце и соединяют его с одним из кондукторов электрофорной машины. На острие нашего стержня насаживают вертушку, колесо Франклина. При работе электрофорной машины колесо начинает вращаться (рисунок 5). Чем быстрее работает машина, тем быстрее крутиться колесо. Это объясняется тем, что на заостренных частях металлического проводника имеется высокая плотность зарядов и большая напряженность электрического поля в близи них. При заряжении такого тела от электрофорной машины с острия перетикаят заряды на колесо возникает так называемый «электрический ветер» и на колесо Франклина действуют реактивные силы, которые возникают при отталкивании отрицательных ионов имеющихся в воздухе от заряжееных частей проводника. Вследствие этого колесо начинает вращаться.

Рисунок 5.

Довольно любопытным представляется опыт, на первый взгляд абсурдный, но все-таки, имеет место быть. Он называется «электрический ветер». Использую установку из предыдущего опыта, расположим острие стержня под углом к горизонту. Против острия закрепим в лапке штатива подставку с зажженной свечей. Приводя в действие электрофорную машину, мы с удивлением наблюдаем, как пламя свечи начинает отклоняться от своего первоначального состояния. И чем сильнее вращение дисков машины, тем сильнее отклонение пламени свечи от острия стержня. Казалось бы, этого не может быть. Просто кто-то шелохнулся и от этого легкий ветерок подул на пламя. Вот и все объяснения, но это не так. Это объясняется тем, что особенно большая плотность электрических зарядов создается на остриях. Молекулы воздуха вблизи острия ионизируются, и возникает поток ионов, направленный от острия. Пламя свечи тоже состоит из частиц.

Движение ионов от острия действует и на частицы пламени, увлекая их за собой, следствие этого мы наблюдаем само отклонения пламени. В этом и заключается суть «электрического ветра».

2.3 Понятие об электроемкости Для введения понятия об электроемкости удобно воспользоваться двумя электрометрами и электрофорной машины, как источника зарядов.

В начале опыта нужно проверить электрометры на предмет одинаковой чувствительности. Для этого электрометры соединяют проводником и заряжают одновременно от наэлектризованной эбонитовой палочки. Затем на электрометры надевают шаровые кондукторы: один — большого радиуса, другой — малого радиуса. Сами корпуса электрометров заземляют. При этом шар, стержень и стрелка электрометра образуют одну из обкладок конденсатора, а изолированный от них корпус электрометра и земля — другую (рисунок 6).

Рисунок 6.

Зарядим банки электрофорной машины проделав несколько оборотов дисками, и прикоснувшись и одному из кондукторов переносят от него пробным шариком с диэлектрической рукояткой одинаковые заряды на шаровые кондукторы электрометров. Достаточно коснуться пробным шариком по нескольку раз кондуктора машины и каждый раз вносить его внутрь шаров, касаясь их внутренней поверхности. Заряжать лучше сначала большой шар, а затем тот, что поменьше. С увеличением заряда на шаре увеличивается и разность потенциалов, отмечаемая электрометром. Оказывается, что при одинаковых условиях для разных шаров эта разность потенциалов неодинаковая: один и тот же заряд сообщает большему шару меньшую разность потенциалов, — следовательно, его емкость больше (рисунок 7). Емкость конденсатора во многом зависит от его объема, поэтому больший шар обладает большей накапливающей способностью чем меньший шар.

Рисунок 7.

После этого демонстрируют зависимость емкости одного и того же шара от близости расположения других проводников. Достаточно к заряженному шару медленно приближать или удалять руку и следить за изменениями показаний электрометра.

Так же в опыте вместо шаров на электрометрах можно поместить металлические диски: на один — большой (с разборного конденсатора), а другой — малый (съемный столик). Разность потенциалов будет больше и поэтому показания электрометров станут более выразительными.

2.4 Электрический ток в газах. Ионизация газов Для демонстрации этого эксперимента в качестве ионизатора можно воспользоваться электрическим разрядом с острия при высоком напряжении. Соберем установку следующего рода. К электрометру с помощью проводника подключим раздвижной конденсатор. Стрелку электрометра соединим с одной пластиной, а корпус прибора с другой пластиной. Пластины раздвижного конденсатора располагают друг напротив друга на расстоянии 20 — 30 см. На кондукторах электрофорной машины укрепляют два острия, которые располагают на расстоянии 30 — 40 мм одно от другого. Использование остриев удобно тем, что на их концах образуется большое количество ионов газа (воздуха). Высоту расположения приборов подбирают так, чтобы струя воздуха на острия из воздуходувки, попадала в воздушный промежуток между платинами конденсатора.

Зарядив электрометр, например, от эбонитовой палочки отрицательно, потерев палочку о мех, включают воздуходувку и получают не слишком сильную струю. Нужно обратить внимание на то, что электрометр при этом сохраняет заряд. Затем приводят в действие электрофорную машину и наблюдают, как электрометр начинает разряжаться. Если прекратить работу машины, то разряжение электрометра прекращается; вновь включить — разряжение продолжиться.

Повторяют опыт, зарядив электрометр положительно от стеклянной палочки, так же потертой о мех.

Эти процессы или явления объясняются тем, что вблизи острия под действием высокого напряжения образуется большое число ионов, которые, увлекаясь воздушным потоком, попадают между пластинами раздвижного конденсатора. Электропроводность воздуха увеличивается, и электрометр разряжается.

Процесс ионизации всегда сопровождается обратным ему процессом — рекомбинацией ионов. На этой же установке удобно продемонстрировать, что ионы имеют определенное время существования. Уменьшая скорость воздушного потока (или увеличивая расстояние между ионизатором и пластинами конденсатора), наблюдают, что разрядка электрометра замедляется или прекращается совсем. Это указывает на то, что количество ионов в газе постепенно уменьшается и в конце концов она рекомбинируют полностью.

Так же полезно продемонстрировать изменение характера электропроводности воздуха в зависимости от преобладания положительных или отрицательных ионов. В этом опыте оставляют только одно острие, например на отрицательном кондукторе, и, зарядив электрометр тоже отрицательно, направляют струю воздуха между пластинами конденсатора. Электрометр не разряжается.

Зарядив электрометр положительно, мы увидим, как стрелка быстро падает вследствие нейтрализации положительного заряда отрицательными ионами, которые доставляются воздушным потоком от острия.

Так же опыт можно провести с потоком положительных ионов, переставив острие на другой кондуктор, соединенный с положительным полюсом.

электрофорный заряд проводник газ.

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 курсовой работы мы изучили основы электродинамики и электростатики, продемонстрировали характер распределения зарядов на поверхности проводника, 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.

1. 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, 1977 г. — 303 стр.

2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: часть 1, под ред. Покровского — 3-еизд., перераб. — М.: Просвещение, 1978 г. — .351 стр.

3. Учебное оборудование по физике в средней школе, под ред. А.А. ПокровскогоМ — Просвещение, 1978 г. — 480 стр.

4. 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.

5. Оспенникова Е. В., Формирование у учащихся экспериментальных умений и навыков на 1-ой ступени их обучения физике: методические рекомендации. — Пермь, 1985 г. — 58 стр.

.ur.