Zaloguj się

Zarejestruj się

Zapomniałem hasła!

Generator elektrostatyczny Kelvina

Marta Kępska

W niniejszej pracy opisano budowę prostego generatora kropelkowego przy użyciu przedmiotów dostępnych w gospodarstwie domowym i porównano go z innymi generatorami tego typu. Zostały w niej wytłumaczone zasady, na jakich podstawie generator wytwarza iskry.

Budowa

Do budowy użyto do tego 2,5m drutu aluminiowego, 2 aluminiowe puszki i dwa plastikowe pojemniki. Drut pocięto na 3 częsci 2x1m i 50cm. Oba metrowe druty zwinięto do połowy w obręcze. W puszkach wybito otwory ok.,1,5cm od rantu, przez otwory przełożono zagięte druty. Przymocowano pod kątem ok. 45 stopni (na zewnątrz) do ścian puszek punktowo gorącym klejem tak, aby drut dotykał bezpośrednio ścianki. W plastikowych pojemnikach zrobiono małe otworki ok.1mm. Całość rozmieszczono jak na poniższym schemacie.

Zasada działania

Woda spadając dzięki sile grawitacji przelatuje przez pierścień i wpada do metalowego zbiornika. Jako, że pierścień jest początkowo lekko naelektryzowany. Kropelki przez niego przelatujące zyskują przeciwny znak do ładunku pierścienia. Kropelka elektryzuje zbiornik, do którego wpada. Pierścień jest połączony z drugim (przeciwnym) zbiornikiem odprowadza zebrane ładunki do niego, gdzie magazynują się. W ten sposób elektryzujemy dwa zbiorniki na raz. Jeden pierścień elektryzuje kropelki dodatnio sam będąc ujemy, drugi na odwrót. Oba odprowadzają ładunki do przeciwnych zbiorników. Woda, która jest podawana przez plastikowe pojemniki ma ładunek obojętny. W konsekwencji tworzy się różnica potencjałów, która skutkuje przeskoczeniem iskry. Generatory elektrostatyczne Przez wiele lat pracy nad elektrycznością i elektrostatyką wymyślono wiele generatorów pola elektrostatycznego, jednak każdy z ma swoje wady i zalety. Najbardziej popularna jest obecnie maszyna elektrostatyczna. Zasada jej działania jest bardzo prosta. Szczotki przymocowane do przewodów trą o tarcze ładując się dodatnie lub ujemnie. Zgromadzony ładunek przekazują przewodami do butelek lejdejskich, które zbierają je i wyładowują przez elektrody. Zasada działania jest prosta natomiast skonstruowanie jej w warunkach domowych nie jest trudne, ale również nie banalne. Potrzebne jest do tego koło pasowe wraz z korbą dość wytrzymałe i o odpowiednich wymiarach. W tej maszynie w przeciwieństwie do generatora kelwina należy przyłożyć wysiłek do wygenerowania ładunku. Ma ona zastosowanie przede wszystkim dydaktyczne. Generator van de Graffa Jego zasada działania jest bardzo podobna do maszyny elektrostatycznej. Tutaj elementem tartym nie jest tarcza a pas. Szczotki podłączone do przewodników Jednym z nich jest czasza, a drugim elektroda. W obu zbierają się jednoimienne ładunki, których potencjał po nagromadzeniu rozładowuje się w odpowiednim momencie. Konstrukcja tego urządzenia jest podobna w skali trudności do maszyny elektrostatycznej. Jednak i tu należy włożyć prace swoją lub silnika do wygenerowania ładunku, a w generatorze kropelkowym grawitacja robi to za nas. Ten typ generatorów jest stosowany w akceleratorach cząstek.

Niebezpieczeństwo, obchodzenie się z wysokim napięciem.

Fizyka jako dziedzina zajmująca się rozmaitymi zagadnieniami nie należy do przewidywalnych i zawsze bezpiecznych nauk. Dlatego nie można zapominać o wykonać stosowne obliczenia przed przeprowadzeniem jakiegokolwiek eksperymentu , aby upewnić się czy doświadczenie nie zagraża naszemu zdrowiu. Na początku należy wiedzieć, czego można spodziewać się po konstrukcji dlatego obliczono pojemność Kondensatora:

Jak widać kondensator nie może osiągnąć zbyt wysokiej pojemności, zatem dotknięcie go przy pełnej mocy nie spowoduje uszczerbku na zdrowiu.

Uwaga redakcji: pojemność elektryczna metalowej puszki jest proporcjonalna do jakiegokolwiek wymiaru liniowego a nie do powierzchni np. średnicy puszki d (ok.5 cm). Tak więc C=εod

Dla pewności obliczono energie kondensatora w oparciu o wymiar puszki:

Dla porównania obliczono energie lecącej muchy:

Konkludując w pełni naładowany kondensator nie jest groźniejszy od muchy, więc nie ma się, czego obawiać przy jego użyciu.

Wyniki

Po naładowaniu generator generował iskry o długości 1cm z częstotliwością 4 na minutę. Napięcie przy przeskoku wynosiło ok. 30kV.

Problemy

Trudność z odizolowaniem zbiorników od podłoża. Ominięto to stosując polimer o dużej powierzchni. Strumień odchylonej i rozlanej wody tworzył kanał przewodzący między podłożem, a zbiornikami. Zastosowano większe zbiorniki. Jednym z utrudnień, którego nie dało się pominąć nie zmieniając całej konstrukcji był czas ładowania się układu wartości rzędu 15min. Podobnie jak samo rozładowywanie było spowodowane dużą wilgotnością powietrza, aby zniwelować ten efekt należałoby dysponować warunkami laboratoryjnymi i możliwością kontrolowania wilgotności powietrza w pomieszczeniu, gdzie przeprowadzano eksperyment. Prawdopodobnie czas ładowania się kondensatora był bezpośrednio zależny od pogody.

Komentarze

2014-04-20 12:57:53 Autor: Seweryn Wgielnik

Mnie wychodzi energia naadowanego kondensatora mniejsza, podobnie energia muchy. Gdzie robi bd?