Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №5» ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА Электрофорная машина Исполнитель: Хозеев Сергей Алексеевич Обучающийся IX класса А МБОУ СОШ №5 Руководитель: Дементьева Елена Александровна Алапаевск 2023 Оглавление Введение................................................................................................................ 3 Глава I .................................................................................................................... 4 1.1 История появления электрофорной машины. .......................................... 5 1.2 Электрофорная машина по Хадфилду ................................................... 5-6 1.3 Принцип действия электрофорной машины ......................................... 6-7 1.4 Применение электрофорной машины ....................................................... 7 Вывод…………………………………………………………………………..7 Глава II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................. 8 Взаимодействие наэлектризованных тел……………………………………...9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….9 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...10 2 Введение История исследования и открытий в области электричества тесно связана с использованием разнообразных конструкций электрических машин (электростатических машин). Конструкция электростатических машин основана на принципе получения электрической энергии за счет механической работы, затрачиваемой при приведении в движение (вращение) подвижных частей машины, Изучение принципов действия электростатических машин, подразделяемых на машины трения и электрофорные машины, способствовало лучшему пониманию природы электричества, 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. Планируемый результат: заряженные тела отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются Цель: научиться работать с электрофорной машиной, доказать, что одноименно заряженные тела отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Задачи: Изучить работу электрофорной машины Показать, как одноименно и разноименные тела ведут себя Гипотеза: одноименно и разноименно заряженные тела ведут себя поразному при трении Методы Анализ информации Эксперимент Вывод Объект исследования: электрофорная машина Предмет исследования: электризация струи воды 3 Глава 1. Электростатическая машина. 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. 4 Основные типы электрофорных машин. Электрофорная машина представляет собой устройство, которое работает на основе принципа электрофореза. С помощью электрофорной машины можно разделять и перемещать частицы посредством электростатических сил. В зависимости от конструкции и применения, существуют различные типы электрофорных машин. 1. Теплер-августовая машина. Теплер-августовая машина является одним из наиболее распространенных и простых типов электрофорных машин. Её устройство основано на принципе индукции и состоит из двух основных частей: стеклянного диска и двух электродов. На стеклянном диске нанесены разные заряды, а под воздействием электрического поля частицы перемещаются и накапливаются на одном из электродов. 2. Электрофорная машина по Хадфилду Электрофорная машина по Хадфилду, также известная как улучшенная теплер-августовая машина, представляет собой более сложную схему. В этой машине используется специальная система заземления и две клетки с определенной формой и наполнением. Электрофорная машина по Хадфилду имеет большую эффективность и точность при разделении и перемещении частиц. Действие электрофорной машины основано на передаче электрического заряда. С помощью электрофорной машины можно создавать электрический заряд на различных предметах, таких как фольга, шарики из полистирола или предметы из стекла. Основной элемент электрофорной машины называется теплер. Это металлический шарик, который находится внутри машины и может вращаться. Теплер взаимодействует с другими металлическими элементами и проводами. Принцип работы электрофорной машины заключается в создании разности потенциалов между теплером и другими элементами. Когда теплер подвергается воздействию электрического поля, он заряжается и начинает вращаться. Это создает электрическую силу, с помощью которой заряжаются другие объекты. Применение электрофорной машины включает проведение различных опытов и демонстраций в школьных и университетских лабораториях. Она позволяет исследовать электрические свойства различных веществ и материалов. Кроме того, электрофорные машины используются в научных исследованиях и промышленности для создания электрических зарядов и различных экспериментов с электричеством. Электрофорная машина двойного вращения состоит из двух встречно вращающихся дисков. На обоих дисках находятся проводящие сегменты, 5 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 В медицине. Электрофорные машины широко используются в медицине для проведения различных опытов и исследований. Они позволяют разделять и очищать биологические препараты, а также изучать их состав и свойства. С помощью электрофорных машин проводятся следующие исследования: Определение заряда белков и других макромолекул; Разделение и очистка биологических молекул; Изучение взаимодействия различных молекул и организмов; Определение аминокислотного состава белков и других органических соединений. Применение электрофорной машины в медицине позволяет получать важную информацию о деятельности клеток и тканей, а также о различных биологических веществах. Данные исследования помогают улучшить диагностику и лечение различных заболеваний. Применения в технике Электрофорные машины нашли широкое применение в различных областях промышленности. Они могут использоваться для: Анализа состава вещества и тонкого разделения его компонентов. Получения микрочастиц разных размеров и форм для использования в разных производственных процессах. Очистки вещества от примесей и других заряженных частиц. Изготовления микросхем и других электронных компонентов. Электрофорная машина позволяет проводить различные опыты и эксперименты на разделение и анализ вещества. Благодаря простоте устройства и доступности принципа ее работы, она широко используется в научных исследованиях и в образовательном процессе. 6 Электрофорная машина находит применение в различных областях научных исследований: 1. Биология. С помощью электрофорной машины проводятся опыты по разделению и анализу биологических молекул, таких как ДНК и белки. Это позволяет изучать их структуру и функции, а также проводить генетические исследования. 2. Химия. В химических исследованиях электрофорная машина используется для разделения и анализа различных химических соединений. Она позволяет определить состав вещества и провести его качественный и количественный анализ. 3. Медицина. В медицинских исследованиях электрофорная машина применяется для изучения состава и свойств биологических жидкостей, таких как кровь или моча. Она помогает выявить наличие определенных веществ или патологий. Примеры известных опытов с использованием электрофорной машины Одним из известных опытов, проведенных с помощью электрофорной машины, является опыт Августа Теплера. Теплер разработал схему, которая позволяет разделить смесь различных заряженных частиц на положительные и отрицательные компоненты. Этот опыт показал возможность эффективного разделения частиц с помощью электрофореза и был важным вкладом в научные исследования. Вывод: 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. 7 Глава II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Особенности использования электрофорной машины: 1.2 Принцип работы: электрофорная машина работает на основе принципа электрофореза – явления перемещения заряженных частиц под действием электрического поля. Машина создает электрическое поле, в результате чего заряженные частицы перемещаются. 2.2 Применение: электрофорные машины широко используются в научных исследованиях, экспериментах и образовательных целях. Они позволяют изучать свойства и поведение заряженных частиц, а также проводить опыты по отделению и перемещению частиц различного заряда. 3.2 Устройство: электрофорная машина состоит из следующих основных элементов: o Стеклянный или пластиковый стол; o Вертикальный или наклонный столб; o Вращающийся диск или ролик; o Система для зарядки диска; o Диэлектрик – материал, размещаемый на диске. 4.2 Механизм работы: электрофорная машина работает за счет трения между диэлектриком на диске и системой зарядки. При вращении диска, диэлектрик накапливает заряд и затем может притягивать или отталкивать заряженные частицы, в зависимости от их заряда. Используя электрофорные машины, можно проводить различные опыты и эксперименты, например: Отделение и отрицательные и положительных зарядов; Измерение заряда частиц; Исследование эффектов электростатического поля; Изучение свойств различных диэлектриков; Подготовка заряженных поверхностей для других экспериментов. Таким образом, электрофорная машина является важным инструментом для изучения электростатики и проведения различных опытов с заряженными частицами. Она позволяет исследовать законы электростатики, получать новые знания и расширять научные границы. Приборы и материалы: электрофорная машина, два самодельных султана, 2 провода, изолирующая указка. Опыт 1 Два султана соединю длинными проводами с разными индукторами электрофорной машины. Один султан зарядится положительно, другой отрицательно. По легким бумажкам видно, что одноименные заряды отталкиваются. Указкой буду сближать султаны. Между собой они будут притягиваться, т. к. заряжены разными знаками. Вывод: тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются. Электризация тел происходит при их соприкосновении. Опыт 2: Взаимодействие наэлектризованных тел 8 Опыт со струей для демонстрации ее электризации. Для этого устанавливают колбу с краником на штатив с подставкой, установленной на некоторой высоте, чтобы 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. Вывод: мы научились работать с электрофорной машиной, доказали, что одноименно заряженные тела отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. 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 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. Список литературы. 9 1. Dörfel G., Weihreter E. The Fifty Percent Machines — A Short History of Influence Machines and an Elementary Theory of Their Efficiency: An Attempt (англ.) // Annalen der Physik. — 2020. — P. 2000465. — doi:10.1002/andp.202000465 2. Электростатические машины // Э — Электрофон. — М.: Советская энциклопедия, 1933, 1935. — Стб. 735736. — (Большая советская энциклопедия: [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт; 1926—1947, т. 63). 3. Марголис А. А. и др. Практикум по школьному физическому эксперименту: учебное пособие для студентов физ. - мат. пед. ин-ов. 3е изд., перераб. и дополн. - М.: -Просвещение, 1977г. - 303 стр. 4. 2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: часть 1, под ред. Покровского - 3-е- изд., перераб. - М.: Просвещение, 1978 г. - .351 стр. 5. 3. Учебное оборудование по физике в средней школе, под ред. А.А. Покровского- М - Просвещение, 1978 г. - 480 стр. 10