Генератор вимшурста. Генератор Вимшурста: принцип работы, устройство и применение электрофорной машины

Как устроен генератор Вимшурста. Каков принцип его работы. Для чего применяется электрофорная машина в наши дни. Можно ли собрать генератор Вимшурста своими руками.

Содержание

Что представляет собой генератор Вимшурста

Генератор Вимшурста, также известный как электрофорная машина, — это электростатический прибор индукционного типа, предназначенный для получения высокого напряжения. Он был изобретен британским инженером Джеймсом Вимшурстом в 1880-х годах.

Основные элементы конструкции генератора Вимшурста:

  • Два диэлектрических диска, вращающихся в противоположных направлениях
  • Металлические сегменты на поверхности дисков
  • Щетки-нейтрализаторы
  • Коллекторы для сбора зарядов
  • Лейденские банки для накопления заряда
  • Разрядники в виде металлических шаров

При вращении дисков на металлических сегментах за счет электростатической индукции происходит разделение зарядов. Накопленные заряды собираются коллекторами и накапливаются в лейденских банках. При достижении определенной разности потенциалов между разрядниками проскакивает искра.


История создания электрофорной машины

Развитие электрофорных машин началось в середине XIX века:

  • 1865 г. — немецкий физик Август Теплер создал первую электрофорную машину
  • 1867 г. — Вильгельм Хольц усовершенствовал конструкцию, увеличив мощность генератора
  • 1883 г. — Джеймс Вимшурст разработал свою версию электрофорной машины

Генератор Вимшурста стал наиболее совершенной и распространенной конструкцией электрофорной машины. Он использовался для получения высоких напряжений до появления более эффективных электромагнитных генераторов.

Принцип работы генератора Вимшурста

Принцип действия генератора Вимшурста основан на электростатической индукции. Рассмотрим последовательность процессов:

  1. На металлических сегментах дисков изначально присутствует небольшой случайный заряд
  2. При вращении дисков этот заряд индуцирует противоположный заряд на сегментах другого диска
  3. Щетки-нейтрализаторы способствуют разделению зарядов на дисках
  4. Коллекторы собирают накопленные заряды с поверхности дисков
  5. Заряды стекают в лейденские банки, где происходит их накопление
  6. При достижении определенной разности потенциалов между разрядниками проскакивает искра

Процесс накопления заряда происходит лавинообразно — чем больше разделенных зарядов на дисках, тем эффективнее работает индукция. Это позволяет генератору Вимшурста создавать очень высокие напряжения.


Устройство электрофорной машины

Рассмотрим подробнее основные элементы конструкции генератора Вимшурста:

Диски

Обычно используются два диска из диэлектрического материала (стекло, оргстекло, эбонит). Диски вращаются в противоположных направлениях на небольшом расстоянии друг от друга.

Металлические сегменты

На поверхность дисков наклеиваются металлические сегменты из фольги или тонкого металлического листа. Сегменты располагаются радиально и равномерно по окружности диска.

Щетки-нейтрализаторы

Представляют собой тонкие металлические пластинки, расположенные под углом 90° друг к другу. Они слегка касаются поверхности дисков, способствуя разделению зарядов.

Коллекторы

Металлические гребенки, расположенные вблизи поверхности дисков. Собирают накопленные заряды с сегментов.

Лейденские банки

Конденсаторы для накопления собранных зарядов. Обычно используются две банки для накопления положительного и отрицательного зарядов.

Разрядники

Два металлических шара на регулируемом расстоянии. При достижении определенной разности потенциалов между ними проскакивает искра.


Как собрать генератор Вимшурста своими руками

Для самостоятельной сборки электрофорной машины потребуются следующие материалы и инструменты:

  • Два диска из оргстекла или другого диэлектрика диаметром 30-40 см
  • Алюминиевая фольга для сегментов
  • Металлические щетки и гребенки для коллекторов
  • Две стеклянные банки для лейденских конденсаторов
  • Металлические шары для разрядников
  • Деревянное основание и стойки
  • Ручка и ременная передача для вращения дисков

Основные этапы сборки:

  1. Изготовление основания и стоек для крепления дисков
  2. Нарезка и наклеивание металлических сегментов на диски
  3. Установка щеток-нейтрализаторов и коллекторов
  4. Сборка лейденских банок из стеклянных банок и фольги
  5. Монтаж разрядников на регулируемых стойках
  6. Изготовление ручки и ременной передачи для вращения дисков

При самостоятельной сборке важно обеспечить хорошую изоляцию токоведущих частей и соблюдать меры электробезопасности при работе с высоковольтным оборудованием.

Применение генератора Вимшурста

В настоящее время электрофорные машины имеют ограниченное практическое применение, но используются в следующих областях:


  • Демонстрация электростатических явлений в учебных заведениях
  • Проведение научных экспериментов с высоковольтными разрядами
  • Нейтрализация статических зарядов в некоторых производственных процессах
  • Создание спецэффектов в кино и на сцене

В прошлом генераторы Вимшурста применялись в ранних рентгеновских аппаратах и для питания газоразрядных трубок.

Преимущества и недостатки электрофорной машины

Генератор Вимшурста имеет ряд достоинств и недостатков по сравнению с другими источниками высокого напряжения:

Преимущества:

  • Простота конструкции
  • Наглядность принципа работы
  • Возможность получения очень высоких напряжений
  • Безопасность при правильной эксплуатации

Недостатки:

  • Низкий КПД
  • Малая мощность
  • Зависимость от влажности воздуха
  • Необходимость ручного привода

Эти особенности определяют сферу применения генераторов Вимшурста преимущественно в демонстрационных и учебных целях.

Меры безопасности при работе с генератором Вимшурста

При эксплуатации электрофорной машины необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:


  • Не прикасаться к токоведущим частям во время работы
  • Располагать генератор на изолирующем основании
  • Не допускать попадания влаги на прибор
  • Работать в сухом помещении
  • Использовать защитные средства (резиновые перчатки, коврик)
  • Не оставлять работающий прибор без присмотра
  • После окончания работы разрядить конденсаторы

Соблюдение этих правил обеспечит безопасное использование генератора Вимшурста в учебных и демонстрационных целях.


Электрофорный Генератор Узнайте больше правды об Электрофорном генераторе Вимшурста

Электрофорный Генератор или Машина Вимшурста, названа так в честь британского инженера James Wimshurst (1832-1903), и является ископаемым времен начала электротехники. Ее развитие практически остановилось при внедрении электромагнитных генераторов. Сегодня они используются только лишь для демонстрации электростатики. Таким образом потеряно много информации о них.

Принцип действия

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 (M), 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 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.

Дополнительно см. Такие же эффекты влияния у электроскопа Elektroskop .

Возможность усовершенствования

Наибольшие продажи этой машины –как учебное пособие.

Предложенные Электрофорные машины не сделаны оптимально. Много деталей изготовлено таким же образом как и в старых машинах, и едва ли кто-нибудь особо разбирался в их правильном применении. Таким образом они ошибочно используются в большинстве случаев или даже вредны.

Контроль щеток и коллектора Обязательно после покупки машины: Щетки должны быть мягки и скользить с незначительным сопротивлением трения по сегментах. Если щетки из меди будут установлены часто, они будут разрушать сегменты, производить высокое трение, которое приведет к образованию дыр. Рекомендуется, применить щетки от «серебряного дождика» (Внимание! более новые типы изготовлены из пластмассы с односторонне напыленным алюминием.

Они стираются быстро и затем полоски становятся изолятором) Можно заменить их алюминиевой фольги. Если они используют только немного полос, максимально 10 штук. Здесь не текут высокие токи. Некоторые щетки в готовых машинах походят больше на шлейфконтакты. Тот, кто хочет довести машину до идеала, тот может установить в неё несколько кистей Antistatik от лазерного принтера или копировального аппарата. Такая кисть могла в большинстве случаев быть применена из волокон угля или закопченной пластмассы, которые хорошо проводят электричество. Также подойдут волокна угля.

Коллекторы не должны касаться сегментов в машинах с двумя противоположными дисками. Они являются самовозбуждающими, а напряжение так высоко, что возможен съем без прикосновения. В большинстве случаев здесь также пригодны и щетки. Но они могут быть заменены единственной проволокой (1,5 мм ² монтажный провод), конец которого заточен на конце. Округленные съемники напряжения без заостренных вершин не годятся. По меньшей мере необходима заостренная вершина.

Гребень с несколькими вершинами-зубчиками еще лучше.

Электрофорная машина. Устройство и работа. Особенности

Электрофорная машина или генератор Вимшурста – это электростатический прибор индукционного типа, по сути являющийся источником электроэнергии. В XXI веке эти устройства в основном применяются в качестве демонстрационной техники, используемой при проведении физических опытов. С их помощью легко объясняется суть различных электрических эффектов, а также выясняются причины их проявления.

Прибор назван по имени британского инженера Джеймса Вимшурста, который изобрел его «на заре» становления электротехники. Развитие новой для того времени идеи практически остановилось к моменту появления более совершенных генерирующих устройств.

Генератор Вимшурста имеет богатое историческое прошлое, начало которого относят к середине 19 века. В то время немецкий физик Август Теплер разработал проект создания так называемая «электрофорная машина», являющейся логическим продолжением идеи Вимшурста.

Примерно в то же время немецкий естествоиспытатель В. Хольц изобрел агрегат, по внешнему виду и конструкции чем-то схожий с этим прибором. Особенность созданной им машины состояла в большей величине заряда, накапливаемого в лейденских банках. Благодаря этому изобретению ученый из Германии стал считаться родоначальником и создателем целой серии приборов для получения постоянного тока.

Позднее сравнительно простая электрофорная машина В. Хольца была усовершенствована Д. Уимсхерстом из Великобритании. Созданная им модификация до сих пор используется в физических лабораториях с целью наглядной демонстрации электростатических эффектов, а также для проведения самых различных опытов.

Устройство машины
Электрофорная машина содержит следующие обязательные составляющие:
  • Пара дисков с размещенными на них алюминиевыми сегментами.
  • Проводящие элементы конструкции, используемые для съема зарядов.
  • Основание или стойка, на которой закрепляются диски.
  • Лейденские банки в количестве 2-х штук и связанные с ними разрядные шары.

При работе устройства диски с размещенными на них секторами из алюминия, выполняющими функцию конденсаторов, вращаются в противоположных направлениях. Из-за хаотичных электрических процессов, регулярно происходящих в атмосфере, на одном или на нескольких сегментах всегда присутствует микроскопический заряд. Обычно он появляется вследствие трения конденсаторных обкладок о воздух.

Из-за особенностей конструкции электрофорной машины заранее предсказать знак начального электростатического заряда на каждом из дисков практически невозможно.

Используемые в конструкции Лейденские банки набираются из последовательно соединенных конденсаторов, что позволяет получить практически любую суммарную емкость. При их сборке особое внимание обращается на то, чтобы номиналы электролитов были абсолютно одинаковыми (с минимальным отличием). При нарушении этого требования напряжение на каждой из секций будет отличаться, что приведет к нарушениям в работе накопительной системы.

Съемники заряда в этом устройстве представлены оригинальными по своей конструкции индукционными нейтрализаторами. Они изготовлены в виде тонкой металлической пластинки с разрезанными краями (типа гребенки). При монтаже прибора эти элементы располагаются близко к поверхности диска, не касаясь ее.

Существуют конструкции, в которых щетки съемника слегка соприкасаются с краями сегментов. Для каждого диска с разной полярностью заряда делается отдельный съемник, то есть нейтрализаторы получаются спаренными.

Как работает электрофорная машина
Порядок работы агрегата описывается следующей последовательностью действий:
  • Оператор вручную или с помощью электрического двигателя приводит во вращательное движение оба диска системы, генерирующей электричество.
  • За счет небольшого начального заряда и сил трения о воздух в них формируются электрические поля противоположной полярности.
  • При этом в Лейденских банках, содержащих электролитические конденсаторы, накапливаются разноименные заряды с повышенной плотностью распределения.
  • В момент, когда величина разницы потенциалов достигает предельного значения – в промежутке между электродами (шарами) проскакивает мощная искра.

В зависимости от конструкции разрядников и их формы удается получить разряды самой различной силы. Этот показатель может произвольно задаваться оператором, который сближает или раздвигает электроды разрядного механизма.

В свое время была замечена взаимосвязь между напряженностью поля вблизи от шаров и скоростью разряда банок Лейдена (чем она выше – тем быстрее они разряжаются). Позднее это наблюдение позволило сформулировать несколько полезных установок, касающихся искровых процессов, происходящих в воздушной среде.

Объяснение принципа образования полярного заряда
Понять, как электрофорная машина формирует заряды противоположной полярности, поможет ознакомление со следующими моментами:
  • Разность электрических потенциалов в основном образуются в нем не за счет сил трения, а в результате повышения поверхностной плотности зарядов на сегментах диска.
  • Конструкцией этого агрегата предусмотрено наличие двух типов конденсаторов.
  • Первая разновидность представлена Лейденскими банками, выполняющими функцию накопителя заряда.
  • Вторая – это сегменты каждого из 2-х дисков, по своему устройству напоминающие конденсаторные элементы с алюминиевыми обкладками.

Кроме того, в этом агрегате имеется две разновидности нейтрализаторов, основное назначение которых – управление всей системой накопления электричества. Первый из этих элементов предназначен для снятия зарядов с сегментов дисков (вращающихся конденсаторов), а второй – для их поляризации.

После рассмотренных особенностей конструкции становится понятно, как электрофорная машина обеспечивает получение полярных зарядов. Электрическая энергия образуется в нем путем принудительной «накачки» конденсаторов усилиями оператора. Нужный результат достигается за счет резкого повышения поверхностной плотности зарядов в точках съема.

Особенности изготовления устройства своими руками

Основу агрегата составляют два диска, для изготовления которых в домашних условиях потребуется качественный диэлектрический материал (акрил, эбонит и т. п.). При сборке они вертикально насаживаются на опору с осевыми подшипниками и могут свободно вращаться в противоположных направлениях (один по часовой стрелке, другой – против ее движения).

Для вращения дисков потребуется рукоятка в виде изогнутого стального стержня с деревянной ручкой, обозначенная (1). В качестве элементов передачи усилия от рабочей оси в данной конструкции используются приводные ремни (два шкива). Плоскость одного из них в системе привода перевернута на 180 градусов.

За счет такого приема удается получить разнонаправленное вращение основных рабочих частей агрегата, обеспечивающее индукцию зарядов. Оба диска раскручиваются одной рукояткой, что гарантирует синхронность их работы.

На наружные плоскости наклеиваются вырезанные из алюминия полоски (4), не доходящие до краев диска примерно на 0,5 см. Они располагаются радиально, то есть в виде исходящих из центра лучей. На обоих дисках следует предусмотреть одинаковое количество и идентичное расположение наклеиваемых полосок (они должны быть зеркальным отражением один другого).

В качестве элементов конструкции для снятия заряда используются щетки (5), с которых он переносится по проводникам (6, 7, 8 и 9) в Лейденские банки.

В процессе эксплуатации машины Вимшурста алюминиевые полоски в месте контакта со щетками постепенно изнашиваются, после чего они не обеспечивают эффективного стекания заряда. Свести этот износ к минимуму поможет наличие зазора между съемником и плоскостью дисков, а также постоянный контроль состояния контактов в месте подключения гибких проводников (6 и 7).

Проводники изготавливаются из кусков гибкой изолированной медной проволоки. С их помощью соединяются группы разных по полярности алюминиевых полосок, закрепленных на дисках. Проводники (8 и 9) обеспечивают получение своеобразной «земли» или точки нулевого потенциала. За счет нее и образуется рабочее напряжение, представляющее собой разность потенциалов на обкладках конденсаторов банок Лейдена.

Практическое применение

Сначала генератор Вимшурста применялся как агрегат, с помощью которого удается получать электрический ток небольшой величины. К концу 19 века электрофорная машина перестала использоваться для практических целей, поскольку были изобретены более мощные э/м генераторы. Сегодня эти конструктивно и морально устаревшие устройства хоть и редко, но применяются в качестве индукционных нейтрализаторов зарядов на поверхности жидких диэлектриков.

Примером могут служить запасы нефти, перевозимые по железным дорогам или накапливающиеся в резервуарах хранилищ. Однако использование электрофорных машин для этих целей возможно лишь при строгом соблюдении требований пожарной безопасности, согласно которым необходимо полностью исключить возможность искрообразования.

Похожие темы:
  • Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
  • Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
  • Виды статического электричества. Возникновение и удаление статики
  • Эффект Бифельда-Брауна. Работа и применение. Особенности
  • Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство
  • Защита от статического электричества. Возникновение и действие
  • Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
  • Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
  • Трибоэлектрический эффект. Принцип действия и особенности
  • Электричество. Электрический ток. Электростанции
  • Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
  • Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
  • Пироэлектричество. Появление и применение. Особенности
  • Электризация тел. Виды и свойства. Применение и особенности
  • Замбониев столб. Устройство и применение. Особенности

Как работает машина Вимшерста?

Машина Вимшерста производит искры посредством электростатической индукции.


ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО 


Другие интересные демонстрации:

 

Простой двигатель постоянного тока

Эффект Мейснера

Как работает рельсовая пушка   


Обучаемые темы:

  • Электростатическая индукция
  • Проводимость
  • Электрический потенциал

Теория:
Машина Вимшерста, изобретенная Джеймсом Вимшерстом, представляет собой устройство, использующее электростатическую индукцию для создания электрического потенциала между двумя электродами. Машина Wimshurst состоит из нескольких ключевых частей, которые можно увидеть на рисунках ниже:

 

  1. Диски диэлектрические

  2. Электроды

  3. Токопроводящие пластины

  4. Двусторонняя щетка

  5. Гребни для сбора

  6. Лейденские банки

  7. Ручка

Машина Вимшерста запускается с небольшим зарядом на одной из проводящих пластин. Этот заряд обычно поступает из окружающей среды, поэтому диски не будут абсолютно нейтральными. Если бы не было заряда с самого начала, эта машина ничего бы не делала, так как ей нужен заряд, чтобы индуцировать заряд. Этот заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Для пояснения будем говорить, что заряд на пластине положительный.

Когда колесо вращается, положительный заряд будет двигаться к двусторонней щетке на другом диске. Когда он выравнивается с этой щеткой, он индуцирует отрицательный заряд в проводящей пластине прямо напротив него на другом диске. Этот отрицательный заряд, в свою очередь, вызовет появление положительного заряда на пластине на другом конце щетки.

По мере того как диски продолжают вращаться, первоначальный положительный заряд достигает собирающих гребешков с одной стороны и затем сохраняется в конденсаторе лейденской банки. Между тем положительные и отрицательные заряды на другом диске будут вращаться в другом направлении. Когда они выровняются с двусторонней щеткой на противоположном диске, они будут индуцировать положительный и отрицательный заряд на проводящих пластинах напротив них.

Эти новые заряды будут вращаться до тех пор, пока не выровняются с другой двухсторонней щеткой, вызывая больше зарядов, поскольку другие заряды достигают собирающих гребешков и сохраняются. Этот цикл продолжается, индуцируя все больше и больше зарядов, которые затем накапливаются, пока не разрядятся в виде искры! Затем весь цикл повторяется.

 

 

Аппаратура:

  • Машина Вимшерста

Процедура:

  • Поверните ручку машины Вимшерста.
  • Убедитесь, что электроды находятся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга.
  • Смотри на искры!

Примечание. Не забудьте разрядить электроды, коснувшись их друг друга после завершения эксперимента, чтобы избежать удара током.

 

  • Пред.
  • Следующий

Машина Вимшерста | Музей истории науки

Представлено Крисом Паркином – ведущим специалистом по вопросам образования, Музей истории науки (директор проекта)

Инвентарный номер: 82113

 

Этот прибор назван в честь британского изобретателя Джеймса Вимшерста, который разработал его в начале 1880-х годов для получения электричества высокого напряжения. Такая машина легко могла генерировать разность потенциалов до 50-60 тысяч вольт.

Как это работает?

При повороте ручки два изолированных стеклянных диска вращаются в противоположных направлениях с помощью шкивов. Пластины покрыты секторами из оловянной фольги, расположенными через равные промежутки.

Достаточно небольшого количества заряда на любом из секторов, чтобы запустить процесс, при котором каждый сектор индуцирует равный и противоположный заряд на проходящем секторе соседней пластины. Это, в сочетании с действием двух наборов металлических стержней нейтрализатора
и их щеток, установленных под прямым углом друг к другу, обеспечивает экспоненциальное накопление и отделение положительного заряда от отрицательного.

Заряды улавливаются металлическими гребенками, расположенными вблизи поверхности пластин, и направляются к конденсаторам, установленным на передней части машины, известным как лейденские банки. Как только электрический заряд, хранящийся в конденсаторах, достигает уровня, при котором
достигается напряжение пробоя диэлектрика воздуха, через зазор между проводящими якорями проскакивает молниеносная электрическая искра.

Рентгеновская трубка типа Джексона и флуоресцентный экран, используемые с машиной Винсхерста

Такие «влиятельные» или индукционные машины, как их иногда называли, были намного надежнее, чем предыдущие электрические машины, поэтому машина Вимшерста стала очень популярной в лабораториях конца 19-начала 20 веков для электрических экспериментов
и из-за высокого напряжения, которое они могли генерировать, использовались в ранних рентгеновских экспериментах.

 

Рентгеновский снимок перелома запястья из архива Хикмана, HSM

Что насчет этого конкретного аппарата?

Именно для этой цели использовалась эта машина ее владельцем Е.Г. Спенсер-Черчилль, который был студентом Колледжа Магдалины в Оксфорде, когда купил его в 1898 году.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *