Электрошлаковая сварка сущность процесса и область применения

Применяемое оборудование и материалы

Оборудование для электрошлаковой сварки стоит недорого и состоит из сварочного аппарата и приборов, выполняющих вспомогательные функции. Обычно оборудование для ЭШС продается в комплекте, что очень удобно. Такой комплект называется сварочной установкой для электрошлаковой сварки. Это, пожалуй, все, что можно сказать про применяемое оборудование.

А вот с флюсами все гораздо интереснее. Для ЭШС нужно применять плавленые флюсы. Если вы собираетесь варить углеродистую или низколегированную сталь, то мы рекомендуем использовать флюсы АН-8, АН-8М, АН-22. Также отдельно отметим флюс АН-47, при его применении швы получаются качественными, а процесс сварки всегда устойчив.

Если вам предстоит сварка легированной стали с повышенной прочностью, то лучше применять флюс АН-9. Для сварки высоколегированной стали отлично подходят флюсы АНФ-1, АНФ-7, 48-ОФ-6. Не забывайте и о флюсе АН-45, с его помощью можно очень качественно сварить стали с антикоррозийными свойствами. Если нужно сварить чугун, то мы рекомендуем флюсы АНФ-14 и АН-75.

Вы можете применять и другие флюсы, если посчитаете нужным, но учитывайте что они должны соответствовать следующим требованиям:

  • Выполнять свои функции при любом значении сварочного тока или напряжения, а также беспроблемно устанавливать ЭШС процесс.
  • В достаточной степени плавить кромки деталей и способствовать улучшению качества шва, не образуя подрезы или наплывы, трещины, включения и прочие дефекты.
  • Выбранный вами флюс не должен стекать через зазор между деталями.
  • Флюс должен образовывать шлак, который можно потом легко удалить с металла.

Перед сваркой флюс нужно обязательно прокалить в печи. Температура прогрева может варьироваться от 300 до 700 градусов по Цельсию. Температура зависит от типа флюса и подбирается индивидуально, но в любом случае время прокаливая не должно превышать двух часов.


У электрошлаковой сварки много достоинств. Во-первых, сама сварка крайне устойчива при любом роде тока. К тому же, она мало чувствительна к каким бы то ни было изменения тока или даже его кратковременным прерываниям. Вам даже не нужно иметь высокую квалификацию, чтобы выполнить шов качественно.

Особенность электрошлакового способа сварки плавлением

Сущность рассматриваемого метода заключается в выделении тепла во время прохождения электротока от электрода, через токопроводящую жидкую ванну шлака, к изделию (без горения дуги). Энергии нагрева достаточно для расплавления материалов электрода и кромок свариваемых деталей. Шлаковую ванну, выступающую в роли проводника, получают при первоначальном расплавлении флюса.

Процесс ЭШС предполагает получение только вертикальных сварных швов (возможен их незначительный наклон). Поэтому, при заполнении полости будущего шва расплавом, жидкий металл всегда будет в верхней части, что помогает отведению из шва неметаллических включений и газов. В результате качество получаемого шва повышается – снижается вероятность шлаковых включений, металл получается плотным, возрастает устойчивость к образованию околошовных трещин.





Флюс — это, собственно, и есть шлак, основное рабочее вещество электрошлаковой сварки. К нему выдвигаются определенные требования. Флюсы должны обеспечивать:

Технология электрошлаковой сварки

Две свариваемые детали располагаются рядом с небольшим зазором, с торцов плотно фиксируются медными бегунами. От возбуждения электродуги слой флюса расплавляется, образуя горячий шлак. Он заполняет все ограниченное пространство. За счет хорошей электропроводности шлака дуга угасает, но движение тока при этом не прекращается, выделяется тепло, шлаковые частицы прогреваются до температуры плавления присадки и мягкости сплава. Расплав заполняет зазор, образуется однородный шов. Он защищен шлаковой ванной, разогретой свыше 1500°С. Во флюс можно одновременно опустить параллельно несколько присадок, все они будут равномерно разогреваться горячим шлаком. Подаются они всегда сверху вниз. При искусственном охлаждении ползунов (к ним подводится вода) нижние диффузионные слои твердеют постепенно и равномерно.

Виды сварных швов, образуемых методом ЭШС:

  • стыковые прямой, криволинейной формы,
  • тавровые, двутавровые,
  • угловые односторонние, двухсторонние,
  • вертикальные переменного сечения.

Две свариваемые детали располагаются рядом с небольшим зазором, с торцов плотно фиксируются медными бегунами. От возбуждения электродуги слой флюса расплавляется, образуя горячий шлак. Он заполняет все ограниченное пространство. За счет хорошей электропроводности шлака дуга угасает, но движение тока при этом не прекращается, выделяется тепло, шлаковые частицы прогреваются до температуры плавления присадки и мягкости сплава. Расплав заполняет зазор, образуется однородный шов. Он защищен шлаковой ванной, разогретой свыше 1500°С. Во флюс можно одновременно опустить параллельно несколько присадок, все они будут равномерно разогреваться горячим шлаком. Подаются они всегда сверху вниз. При искусственном охлаждении ползунов (к ним подводится вода) нижние диффузионные слои твердеют постепенно и равномерно.

Сообщение об ошибке

Устойчивость электрошлакового процесса, форма шва и глубина проплавления основного металла зависят от параметров режима сварки. К основным параметрам относятся: скорость сварки V, сварочный ток Iсв, скорость подачи электродов Vп, напряжение сварки U, толщина металла, приходящаяся на один электрод, расстояние между электродами z. Вспомогательные составляющие режима: зазор между кромками bр, состав флюса, глубина шлаковой ванны hш.в, скорость возвратно-поступательных движений электрода, его “сухой” вылет lэ, сечение электродов и др. Глубина шлаковой ванны в зависимости от силы сварочного тока изменяется от 25 до 70 мм. Скорость возвратно-поступательного движения электрода 25-40 м/ч. Сухой вылет электрода 60-80 мм.

Электрофорная машина Гольца

Исторический период наиболее активных экспериментальных исследований в области электрических явлений связан с появлением первых электростатических машин, действие которых позволяло получать электрическую энергию благодаря совершению механической работы.

Механическая работа заключалась во вращении определенных частей машины, при котором преодолевались силы притяжения (разноименных) и отталкивания (одноименных) электрических зарядов, присутствовавших на наэлектризованных элементах машины.

Эксперименты с подобными машинами способствовали лучшему пониманию исследователями того времени самой природы электричества и принципов электрических взаимодействий.

Создание первой электростатической машины трения историки приписывают немецкому ученому Отто фон Герике, который в 1650 году впервые создал такое устройство. Это была машина, работа которой основывалась на уже известном тогда явлении электризации тел трением. Однако машины трения обладали значительным недостатком — их работа требовала приложения больших механических усилий.

В отличие от машин трения, созданные позже электрофорные (индукционные) машины были лишены этого недостатка, поскольку для получения электрической энергии им не нужно было прямого контакта электризуемых частей с индуктором (с той частью, которая вызывала электризацию).

Так, первая электрофорная машина, то есть такая электростатическая машина, которая не требовала взаимного трения ее частей для получения электризации, была построена в 1865 году немецким физиком Августом Теплером. Изобретатель придерживался мнения, что именно электрофорные машины позволят эффективно получать электричество за счет преобразования механической энергии.

Примерно в это же время немецкий физик Вильгельм Гольц (нем. Holtz), независимо от Теплера, спроектировал более простую и более эффективную электрофорную машину, которая производила большую разность потенциалов, и даже могла служить источником постоянного тока для осветительных целей. Именно машины Гольца стали первыми электрофорными машинами, которые появились в учебных кабинетах образовательных учреждений.

Главные части машины Гольца — два стеклянных диска и металлические гребенки, предназначенные для снятия заряда. Один из дисков закреплен неподвижно, а другой может вращаться. Диски установлены на общей оси. В одном из музейных экспонатов неподвижный диск имеет диаметр 100 см, тогда как вращающийся диск – 94 см.

Неподвижный диск опирается на эбонитовую пластину и поддерживается в вертикальном положении эбонитовыми же кружками на изолирующих стойках. В неподвижном диске вырезаны окна, на задней стороне которых наклеены неполные бумажные секторы, именуемые оправами.

Оправы оканчиваются бумажными язычками, передние заостренные края которых направлены к подвижному диску и немного изогнуты. Диски, оправы и язычки покрыты гуммилаком (смолистое вещество).

Вдоль горизонтального диаметра подвижного диска, спереди, с каждой из его сторон, установлены латунные гребенки. Эти гребенки соединены с соответствующими латунными кондукторами, на концах которых установлены проводящие шары, через которые проходят латунные стержни, оканчивающиеся с внутренней стороны шариками, с наружной — деревянными (изолирующими) ручками. Стержни можно двигать, отдаляя или сближая шарики.

К кондукторам могут быть присоединены лейденские банки (внутренними обкладками), наружные обкладки которых соединяются между собой проводником. Два латунных столбика спереди машины служат для присоединения проводов, к этим столбикам можно прислонить шарики, просто наклонив кондукторы.

Передний диск приводится во вращение посредством ременной передачи и системы шкивов, соединенных с рукояткой, с помощью которой экспериментатор и приводит данный механизм в движение. Однако, прежде чем начать работу с машиной, необходимо наэлектризовать бумажные секторы (оправы) разноименными зарядами (обозначим их как р+ и р-).

Данные оправы, будучи заряжены, благодаря явлению электростатической индукции, станут воздействовать на вращающийся диск, а диск в свою очередь будет воздействовать на гребенки О и О’.

По мере вращения диска, оправа (в окне F) с зарядом р+ наведет (индуцирует) отрицательный заряд на задней части m вращающегося диска, и заряд такого же знака будет притянут из гребенки О, опять же благодаря явлению электростатической индукции. Часть диска m’ примет отрицательный заряд от гребенки О, а сама гребенка О вместе со своим кондуктором С и шариком r поэтому станут заряжены положительно.

Итак, диск электризовался отрицательно с обеих его сторон (в местах m и m’), а кондуктор на левой стороне машины — положительно. Диск продолжает вращение, и вот, части его поверхности m и m’ подходят к окну F’, расположенному на неподвижном диске справа.

Влияние установленной здесь оправы с отрицательным зарядом p- усиливается поверхностью m’, значит с гребенки О’ в сторону диска будет притянут положительный заряд. Соответственно и кондуктор С’, и шарик r’ зарядятся отрицательно. Поверхность m принимает притянутый с гребенки положительный заряд. Диск продолжает вращение и цикл повторяется.

Читайте также:  Сроки и способы, как правильно сохранить картошку на зиму в квартире и погребе

Электростатические генераторы считаются самыми древними источниками электрического напряжения: Как устроены и работают электростатические генераторы

К кондукторам могут быть присоединены лейденские банки (внутренними обкладками), наружные обкладки которых соединяются между собой проводником. Два латунных столбика спереди машины служат для присоединения проводов, к этим столбикам можно прислонить шарики, просто наклонив кондукторы.

Вместо заключения

Индукционные нейтрализаторы возможно использовать иным способом – снимая заряд с жидких диэлектриков. К примеру, нефти. На производстве любая искра вызовет негативные последствия. Достаточно вспомнить о взрыве на скважине в Мексиканском заливе.

Таким образом, гребенка способна скользить по диску. В ранних конструкциях изготавливался единым, без секторов, однородным и из плотного материала (см. рис.). Работал без алюминиевых конденсаторов. Физики, хорошо разобравшиеся с машиной, смогли ее усовершенствовать.

Индукционные нейтрализаторы возможно использовать иным способом – снимая заряд с жидких диэлектриков. К примеру, нефти. На производстве любая искра вызовет негативные последствия. Достаточно вспомнить о взрыве на скважине в Мексиканском заливе.

Индукционные нейтрализаторы

Нейтрализаторы в процессе работы способны загрязняться. Следовательно, периодически требуется чистить, иначе снижается эффективность. В машине Вимхерста факт уменьшения КПД мало играет роли. Если машина не работает, стоит проверить чистоту игл. В конструкции используется четыре индукционных нейтрализатора:

  1. Сдвоенные уравнители лежат практически перпендикулярно друг другу.
  2. По одному съемнику – на каждую лейденскую банку.

Представляют собой щетку из тонкой проволоки либо острых зубчатых плоских гребней (расчесок). Основа бывает металлической, что используется в машине Вимхерста, и деревянной. Острия всегда металлические, назначение – по возможности быстро отводить заряд на заземление. Принцип действия: по мере приближения остриев к заряженной плоскости линии напряженности смыкаются на них, образуя высокие значения.

Для справки. Плотность линий поля прямо пропорциональная напряженности в данной точке.

Повышенная плотность в районе острия способствует ионизации воздуха (без искры) и образованию зарядов обоих знаков, проводящих ток в нужном направлении. Параметры нейтрализаторов сильно зависят от расстояния между остриями и уменьшением радиуса их кривизны (заточкой). Применяемые в машине Вимхерста проволочные нейтрализаторы в виде щеток наименее эффективны. На съемниках стоят гребенки либо иглы. Считается, что для последних нейтрализаторов максимальная результативность достигается при указанных условиях:

  • Соотношение высоты игл к расстоянию между ними от 0,6 до 1,8.
  • Длина игл 12 – 50 мм и более.
  • Диаметр игл 0,5 – 1 мм.

Уменьшение угла заточки за 60 градусов (повышение кривизны) в этом случае слабо влияет на свойства нейтрализатора. Иглы желательно поднести на расстояние от 5 мм к поверхности. Чем ближе, тем быстрее происходит съем заряда. Фактически минимальное расстояние до плоскости зависит исключительно от собственных вибраций диска. Касание не приведет к отказу системы, но резко снизится срок эксплуатации за счет механического разрушения отдельных элементов.

В противовес общепринятому мнению, созданному от бесконечных демонстраций машины, иглы лучше крепить на диэлектрическом основании. Предпринятым шагом уменьшается ёмкость между диском и гребнем, чем повышается плотность заряда: С = q/U. Заряд уже априорно задан, понижение емкости повышает разницу потенциалов (напряжение), чем облегчается процесс ионизации.

Для безопасности нейтрализатор снабжается кожухом. Нелишне напомнить, что прочие части (помимо ручки вращения) машины Вимхерста в период работы трогать нельзя. Края кожуха удалены от игл нейтрализатора не менее 50 мм.

Индукционным тип приборов назван за действие на расстоянии. Процесс носит название электростатической индукции. Это значит, что один заряженный предмет на расстоянии влияет на второй, без заряда. В металле электроны слабо связаны с решеткой, легко идут в сторону, куда увлекаются полем. Эффект носит поверхностный характер по понятной причине – линии напряженности не могут проникнуть в металл. По-другому: заряды в толще проводника перераспределяются, пока не нейтрализуют полностью внешнее поле.

В результате на поверхности иглы индуцируется заряд. Линии напряженности поля замыкаются на нем, одновременно сходясь отовсюду, как показано на рисунке. Разница потенциалов неизмеримо вырастает, вызывается ионизация воздуха. Она умеренная, при работе машины Вимхерста на щетках, как правило, нет искрения.

Для безопасности нейтрализатор снабжается кожухом. Нелишне напомнить, что прочие части (помимо ручки вращения) машины Вимхерста в период работы трогать нельзя. Края кожуха удалены от игл нейтрализатора не менее 50 мм.

Что такое электрофорная машина и как она работает?

Генератор Вимшурста или электрофорная машина — это индукционный электростатический прибор, созданный как непрерывный источник электрической энергии. В XXI веке используется как вспомогательная техника для демонстрации физических опытов, касающихся различных электрических эффектов и явлений.

Простая начальная конструкция применения электрофорной машины в 1883 г. была усовершенствована Джеймсом Уимсхерстом из Англии. Его модификация используется во всех физических лабораториях для наглядной демонстрации опытов.

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.

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.

Как сделать электрофорную машину в домашних условиях, электростатический генератор хайда

Электрофорная машина
Электрофо́рная маши́на

(генератор Уимсхёрста (неправильно: Вимшурста) (англ. Wimshurst)) — электростатический генератор, электрическая машина для генерирования высокого напряжения, разработана между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом (англ.) (1832–1903). Использует явление электростатической индукции, при этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт. Работает с помощью механической энергии.

Схема электрофорной машины Уимсхёрста
Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие секторы (см. схему). Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Предположим, что сектор A1 вначале несёт небольшой избыточный положительный заряд, а сектор B1 — отрицательный. Когда A1 движется влево, а B1 — вправо, их потенциалы растут за счёт работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения.

Как это работает — теория

Вращение дисков с металлическими секторами приводит к переносу электрического заряда внутри машины, который хранится в конденсаторах до момента возникновения искры или заряда утечки.

Самые важные части в электрофорном агрегате – нейтрализаторы. Это две перемычки со щетками установленные крестом. Если хотя бы одну из четырех щеток отодвинуть от сегментов, машинка перестает работать. Хотя казалось бы диски вращаются, электризуются трением о воздух и значит электричество вырабатывается.

Нейтрализатор делает следующее: он перетаскивает заряд с одной половинки диска на другую и диск оказывается не просто заряжен, а заряжен избирательно — не по всей плоскости.


Стремясь получить наибольший эффект, некоторые изобретатели сооружали машины огромных размеров: так, например, в Лондоне хранится электростатическая машина с диаметром диска 2 м 27 см, причем вращение его осуществлялось паровой машиной (1849 г.).

Конструкция электрофорной машины

2 соосных диска вращаются друг против друга, неся при этом простейшие конденсаторы из алюминиевых секторов. Благодаря случайным процессам в первичный момент на участке одного из сегмента образуется заряд. Вызывается явление процессом трения о воздух. Из-за симметричности конструкции нельзя заранее предсказать итоговый знак.

В конструкции используются 2 лейденовские банки. Они создают из последовательно включенных конденсаторов единую систему. Это влияет на двойное уменьшение требований к рабочему напряжению в каждой емкости. Следует подбирать одинаковые номиналы, это залог равномерного распределения рабочего напряжения.

Снять напряжение призваны индукционные нейтрализаторы. Вся конструкция напоминает металлический гребень, парящий на некотором расстоянии над диском. В точку съема заряда приходят оба диска с эквивалентными знаками внешней поверхности. Нейтрализаторы спарены. После осуществления разгрузки сильно снижается заряд сегментов. В дополнительных конструкциях щетка легко соприкасается с краем диска.

Оператор за счет силы электрического привода либо собственной рукой насильно сближает отталкивающиеся элементы системы. Взаимодействующие друг с другом заряды стараются расположиться как можно дальше. Процесс способствует резкому росту поверхностной плотности зарядов во всех точках съема.

Электричество собирается в лейденовских банках с гребней нейтрализаторов. Происходит быстрый рост напряжения. Избежать выхода из строя системы помогает разрядник, прикрепленный к 2 электродам. Возможно получение дуги различно силы при регулировании дистанции между ними. Существует взаимосвязь: чем сильнее напряженность поля между 2 разрядниками, тем более шумный эффект сопровождает процесс опустошения банок Лейдена.

Читайте также:  Чем отмыть керамическую раковину и изделия из нержавейки: как почистить средством для чистки в домашних условиях, как очистить от известкового налёта и тёмных пятен

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Отрезок толстой проволоки из меди с щетками из тончайших проволочек, парящих на небольшой высоте или трущих сегменты, способствует замыканию указанных противоположностей. Результат – заряды на обоих сегментах приравниваются к нулю, вся энергия превращается согласно закону Джоуля-Ленца в тепло, образующееся на утолщенной медной жиле.





Вниманию юных техников и физиков, а так же учителей физики рады представить электрофорную машину — электростатический генератор для экспериментов и классов физики PEG-20. Данный прибор это генератор статического заряда, состоящий из двух колес, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. В наше время очень часто данное устройство используется учителями на уроках физики для демонстрации силы электрической дуги. Данный прибор представляет собой современный вариант генератор Вимшурста и является индукционной электростатической машиной. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. Прибор выполнен из пластика и металлических элементов и имеет размер 24 х 28,5 х 20 см. Принцип использования очень прост, достаточно просто начать крутить за соответствующую ручку и прибор начинает работать. При вращении рукоятки диски начинают двигаться в противоположных направлениях. Щетки начинают контактировать то с одними, то с последующими металлическими полосками. С каждым оборотом начинает накапливаться всё больший и больший заряд, что обеспечивает увеличение потенциала на контактах. Как только накопленный заряд достигает максимального значения дальнейший рост заряда прекращается. Для лучшего накопления используют конденсаторы в виде лейденских банок. После накопления заряда, приблизив контакты достаточно близко друг к другу, происходит «разрядка» которую прекрасно видно, после чего рост заряда вновь продолжается.

Конструкция электрофорной машины

2 соосных диска вращаются друг против друга, неся при этом простейшие конденсаторы из алюминиевых секторов. Благодаря случайным процессам в первичный момент на участке одного из сегмента образуется заряд. Вызывается явление процессом трения о воздух. Из-за симметричности конструкции нельзя заранее предсказать итоговый знак.

В конструкции используются 2 лейденовские банки. Они создают из последовательно включенных конденсаторов единую систему. Это влияет на двойное уменьшение требований к рабочему напряжению в каждой емкости. Следует подбирать одинаковые номиналы, это залог равномерного распределения рабочего напряжения.

Снять напряжение призваны индукционные нейтрализаторы. Вся конструкция напоминает металлический гребень, парящий на некотором расстоянии над диском. В точку съема заряда приходят оба диска с эквивалентными знаками внешней поверхности. Нейтрализаторы спарены. После осуществления разгрузки сильно снижается заряд сегментов. В дополнительных конструкциях щетка легко соприкасается с краем диска.

Оператор за счет силы электрического привода либо собственной рукой насильно сближает отталкивающиеся элементы системы. Взаимодействующие друг с другом заряды стараются расположиться как можно дальше. Процесс способствует резкому росту поверхностной плотности зарядов во всех точках съема.

Электричество собирается в лейденовских банках с гребней нейтрализаторов. Происходит быстрый рост напряжения. Избежать выхода из строя системы помогает разрядник, прикрепленный к 2 электродам. Возможно получение дуги различно силы при регулировании дистанции между ними. Существует взаимосвязь: чем сильнее напряженность поля между 2 разрядниками, тем более шумный эффект сопровождает процесс опустошения банок Лейдена.

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Отрезок толстой проволоки из меди с щетками из тончайших проволочек, парящих на небольшой высоте или трущих сегменты, способствует замыканию указанных противоположностей. Результат – заряды на обоих сегментах приравниваются к нулю, вся энергия превращается согласно закону Джоуля-Ленца в тепло, образующееся на утолщенной медной жиле.

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Электрофорная машина принцип действия

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.

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.

В отличие от машин трения действие электрофорных машин основано на возбуждении электричества благодаря явлению индукции, т.е. без непосредственного соприкосновения вызывающих электризацию частей машины.

Впервые электрофорная машина была создана в 1865 г. немецким физиком-экспериментатором Августом Теплером, отметившим в одной из своих статей в 1867 г., что «электрофорная машина представляет собою, пожалуй, наиболее прямой путь для получения электрических действий за счет механической работы». Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорная машина была также изобретена другим немецким физиком Вильгельмом Гольцем (1836-1913). Машина Гольца имела более простую, чем машина Теплера, конструкцию, но в то же время позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока.

Благодаря своим преимуществам машина Гольца получила наибольшее распространение среди электрофорных машин и изготавливалась не только для научных целей, но и для оснащения физических кабинетов различных учебных заведений.

Машина Гольца, представленная в экспозиции Политехнического музея, относится к старейшим его экспонатам. В экспозиции Педагогического отдела Политехнической выставки 1872 г., от которой ведет свою историю музей, в Отделении военного ведомства был представлен образцовый физический кабинет для военных учебных заведений. Среди его экспонатов была и машина Гольца с принадлежностями. После выставки машина Гольца поступила в Политехнический музей и с тех пор широко использовалась в его экспозиции. Так, в статье директора физического отдела музея А.С. Владимирского «О составе коллекции отдела прикладной физики Политехнического музея» за 1874 г. мы читаем: «Большая электрофорная машина Гольца работы г. Рихтера служит для освещения юбилейного щита из гейслеровых трубок, сделанного замечательным мастером этого дела в Париже Сегюи». Эта же машина Гольца упоминается в кратких указателях коллекций Политехнического музея за различные годы. Например, в указателе коллекций за 1882 г. в разделе, посвященном отделу прикладной физики, говорится: «Среди залы стоит громадная электрическая машина Гольца (работы Рихтера) с принадлежностями; над нею светящаяся надпись из гейслеровых трубок, напоминающая о Политехнической выставке 1872 г.». Машина Гольца использовалась в музее также для учебных целей при проведении Воскресных «объяснений» коллекций Политехнического музея. Кроме того, эта электрическая машина служила и научным целям в изучении природы электричества. Так, например, устройство и принцип действия машины Гольца неоднократно обсуждались на заседаниях Императорского общества любителей естествознания, антропологии и этнографии, проходивших в музее.

Рассмотрим теперь кратко принцип работы машины Гольца, привлекавшей к себе внимание ученых и посетителей музея с первых дней его основания. Основные рабочие части машины объединены в систему из двух стеклянных дисков и металлических вилок (гребенок) для снятия зарядов с дисков. Стеклянные диски имеют разный диаметр: неподвижный диск – 100 см, вращающийся диск – 94 см. Неподвижный диск опирается на эбонитовую пластинку и поддерживается в вертикальном положении при помощи эбонитовых кружков, закрепленных на изолирующих стойках. В неподвижном диске сделаны вырезы, а на его задней поверхности наклеены бумажные неполные секторы, называемые оправами, оканчивающиеся бумажными же язычками, передние края которых имеют заостренную форму. Эти острия проходят через упомянутые вырезы и несколько изогнуты по направлению к задней поверхности другого стеклянного диска, расположенного перед неподвижным диском. Этот передний диск имеет меньший диаметр и вращается на горизонтальной оси, проходящей через центральное отверстие большого диска. Оба диска, оправы и их язычки покрыты слоем гуммилака. Перед вращающимся диском вдоль горизонтального диаметра расположены две латунные гребенки, каждая из которых соединена с соответствующим латунным кондуктором, оканчивающимся спереди шаром, через который проходит латунный стержень с шариком и деревянной рукояткой. Передний диск вращается посредством рукоятки и системы шкивов с ременной передачей. К собственным кондукторам электрофорной машины могут быть подсоединены две лейденские банки, устанавливаемые на специальные медные подставки, позволяющие с помощью проволоки соединить их внешние обкладки. На передней стороне основания машины располагаются два латунных столбика с зажимами для подсоединения проводов. Для того чтобы можно было воспользоваться током машины Гольца, стержни с шариками наклоняют так, чтобы они прикасались к столбикам.

Читайте также:  Холодное остекление балконов алюминиевыми профилями

Принцип работы машины удобно рассматривать на ее горизонтальной проекции. 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. Таким образом, электорофорная машина Гольца позволяет одновременно получать заряды обоих знаков.

Сегодняшние посетители Политехнического музея, могут познакомиться с этим удивительным экспонатом, памятником науки и техники, сделанным в России и внесшим свой вклад в изучение, распространение и популяризацию научных знаний об электричестве.

Принцип работы машины удобно рассматривать на ее горизонтальной проекции. 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. Таким образом, электорофорная машина Гольца позволяет одновременно получать заряды обоих знаков.

Материалы и компоненты

Необходимо будет для монтажа: паяльник и припой, отвертка и плоскогубцы. Два мотора от старых CD плееров и всякая крепёжная мелочёвка.

Генератор работает от двух батареек АА и способен создавать разряды длинной 2 см. Самое сложное тут — 120 мм диски. Их нужно изготовить по такому принципу: взять два лазерных диска от CD или DVD. Сегменты приклеить из алюминиевого скотча (25 секторов). Приклеить диски к моторчикам. Сделать щетки из алюминиевых полосок.

Если всё сделать и настроить как надо, то искра достигнет размеров около 20 мм, а разряд будет пробивать каждые 0,5 сек.

Электрофорная машина (генератор Вимшурста)

Электрофорная машина работает как непрерывный источник электрической энергии. Этот прибор используют зачастую как вспомогательный для демонстраций различных электрических явлений и эффектов.

Электрофорная машина (генератор Вимшурста)

Немного из истории изобретения

Электрофорная машина разработана в далеком тысяча восемьсот шестьдесят пятом году Августом Теплером, немецким физиком. Что любопытно, совершенно независимо другой ученый-экспериментатор Вильгельм Гольц изобрел подобную конструкцию, но даже более совершенную, так как его аппарат позволял получить большие значения разностей потенциалов и мог служить источником постоянного тока. К тому же гольцевская машина была намного более простой в конструкции. В конце девятнадцатого века английский экспериментатор в области электричества и механики Джеймс Вимшурст усовершенствовал агрегат. И по сегодняшний день именно его вариант (пусть и чуть более современный) используется для демонстраций электродинамических опытов благодаря способности создавать огромную разность потенциалов между коллекторами. Электрофорная машина была улучшена уже в сороковых годах двадцатого века ученым по фамилии Иоффе, который разработал новый тип электростатических генераторов для осуществления питания рентгеновской установки. Хотя машину Вимшурста сейчас не используют для непосредственной задачи добычи электрической энергии, она является историческим экспонатом, который иллюстрирует историю развития инженерной мысли и научно-технического прогресса.

Электрофорная машина

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты. С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа. Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

Электрофорная машина

Что такое банки Лейдена?

Во многих случаях заряды накапливаются на конденсаторах. Их называют банками Лейдена. После этого возможно воспроизведение намного более сильных разрядов и искр. Внутренние обкладки каждого конденсатора соединяются с кондукторами по отдельности. Щетки, которые касаются секторов дисков, объединены с внутренними обкладками банок Лейдена. Вся конструкция на сегодняшний день монтируется на пластмассовых стойках. Вместе с лейденовскими банками части машины закрепляются на подставке из дерева. Учитывая наглядность конструкции, электрофорная машина своими руками может быть сделана достаточно просто. Даже человек, который не имеет специального технического образования, может ее собрать и эксплуатировать в свое удовольствие.

На чем основана работа электрофорной машины?

Использование взаимного усилия обоих дисков – именно этот принцип является основным в данном устройстве. Эффект возникновения разности потенциалов, а затем разрядов и искр достигается правильным расположением секторов. Конечно, существуют разработки, использующие и чистые диски, но подобный коэффициент полезного действия они не выдают. Такие конструкции часто применяются в небольших учебных учреждениях. Расстояние между дисками у такого прибора, как электрофорная машина, играет важнейшую роль и оказывает существенное влияние на достижение необходимого напряжения на конденсаторах.

Электрофорная машина

Каков принцип работы аппарата?

Электрофорная машина с момента ее изобретения (а это начало восемнадцатого века) пережила много изменений. Но основная идея осталась. Основой конструкции машины являются диски с наклеенными обкладками (металлическими полосами). Приложив определенную механическую силу с помощью ременной передачи, их можно вращать в разные стороны, противоположные друг другу. На обкладке одного диска возникает положительный заряд. Он притянет к себе другой заряд (отрицательный). Положительный уйдет через проводник со щетками (нейтрализатор), который касается противоположной обкладки. Поворачивая диски, получаем заряды, аналогичные исходным. Но они уже будут влиять на другие обкладки. Учитывая то, что диски вращаются в противоположные стороны, заряды стекаются к коллекторам. У такого демонстрационного аппарата, как электрофорная машина, принцип работы основан именно на этом моменте. На щетках обоих дисков, которые не касаются их поверхности и находятся по краям, заряды в какой-то момент становятся настолько огромными, что в воздушном пространстве возникает пробой, и проскакивает электрическая искра. Именно поэтому к коллекторам можно присоединять дополнительные конденсаторы разных емкостей, что придаст большую красоту эффекту возникновения разряда.

Электрофорная машина из cd дисков и 2-х кулеров

Самодельная электрофорная машина из cd дисков и 2-х кулеров собранная своими руками, вырабатывает примерно 20 000 В., что ограниченно расстоянием между обкладками конденсаторов диска.

Берем два компакт диска и очищаем их от слоя-носителя информации (с CD-R дисков легче всего удалить этот слой). После обезжириваем поверхность спиртом. Далее из алюминиевого скотча (продается в строительных магазинах), нарезаем сектора и приклеиваем их на диски.

У двух вентиляторов от СБ компьютера, обрезаем лопасти и с помощью двухстороннего скотча приклеиваем двигатели к дискам. Собираем электрофорную машину. Зазор между дисками должен быть минимальным, от этого зависит КПД устройства. Щетки сделаны из многожильного провода (МГТФ). Держатели щеток — медная проволока, диаметром 1 мм.

Запуск. Если расположение щеток правильное и они касаются обкладок дисков, электрофорная машина при запуске начнет вырабатывать статическое электричество. Но продлится это недолго. Между щетками и обкладкой появится зазор, исправляем это путем легкого придавливания щеток к дискам, либо заряжаем диски электричеством (например, наэлектризовав расческу).Если все правильно сделано, то при работе электрофорной машины, вы почувствуете запах озона и услышите легкий треск статического электричества.

Генератор Вимшурста (Wimshurst

) является
индукционной электростатической машиной
. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. У этого класса машин выше КПД в сравнении с теми, где используется трение.

У двух вентиляторов от СБ компьютера, обрезаем лопасти и с помощью двухстороннего скотча приклеиваем двигатели к дискам. Собираем электрофорную машину. Зазор между дисками должен быть минимальным, от этого зависит КПД устройства. Щетки сделаны из многожильного провода (МГТФ). Держатели щеток — медная проволока, диаметром 1 мм.

Добавить комментарий