Лейденская банка или простейший конденсатор своими руками. Как сделать конденсатор постоянной емкости Самодельный пусковой конденсатор

Сделать конденсатор постоянной емкости нетрудно. Для этого потребуется станиолевая фольга (оловянная бумага), парафинированная бумага и кусочки жести. Станиолевую фольгу можно взять от оберток конфет или шоколада, а парафинированную бумагу можно сделать самим.

Для этого берут тонкую папиросную бумагу и нарезают ее полосками шириной 50 мм и длиной 200-300 мм.

Полоски погружают на 2-3 минуты в расплавленный парафин (не кипящий). Как только их вынут, парафин тотчас застывает. После этого его нужно осторожно соскоблить тупой стороной ножа, чтобы не порвать бумаги. Получаются парафинированные листы.

Рис. 111. Самодельный конденсатор постоянной емкости.

Для конденсатора парафинированную бумагу складывают буквой «И», как показано на рисунке 111, в промежутки, с той и с другой стороны «гармошки», вкладывают станиолевые листки размером 45X30 мм.

Когда все листки будут вставлены, «гармошку» складывают и проглаживают подогретым утюгом. Оставшиеся с наружной стороны станиолевые концы соединяются между собой.

Сделать это лучше так: из плотного картона вырезают две пластинки, накладывают их с обеих сторон «гармошки» и зажимают двумя обоймочками, сделанными из жести или латуни. К обоймочкам нужно припаять проводнички, с помощью которых конденсатор припаивается при монтаже.

При десяти станиолевых листочках емкость конденсатора будет примерно равна 1 000 пф.

Если количество листочков увеличить в два раза, емкость конденсатора также увеличится примерно в два раза.

Таким способом можно делать конденсаторы емкостью от 100 до 5 т. пф.

Конденсаторы большой емкости от 5 т. пф до 0,2 мкф делаются несколько иначе. Для их изготовления потре* буется старый бумажный микрофарадный конденсатор.

Бумажный конденсатор представляет собой рулон, свернутый из ленты, состоящей из двух полос парафинированной бумаги и проложенных между ними двух полос станиолевой фольги.

Для того чтобы определить длину полоски, нужную

нам для конденсатора, пользуются формулой:

C l = 0,014 — a

В этой формуле С — емкость нужного нам конденсатора в пф; а -ширина полоски станиолевой фольги в см; l — длина полоски фольги в см. , Например для получения конденсатора емкостью 10 т. пф при ширине полоски 4 см необходимая длина полоски будет равна:

10 000 l = 0,014 ———— = 35 см. 4

Изготовляют конденсатор следующим образом; от рулона микрофарадного конденсатора (рис. 112) отматывают ленту нужной нам длины (все четыре полосы). Чтобы обкладки конденсатора не соединились между собой, з начале и в конце ленты станиолевую фольгу обрезают на 10 мм больше, чем бумагу.

112 Самодельный конденсатор большой емкости.

Перед тем как свернуть ленту, от каждой полоски

фольги делается вывод тонким многожильным проводом или луженой медной фольгой. Вывод от одной обкладки кладется в начале ленты, а от другой — в конце и в противоположную сторону. Затем лента свертывается в трубку и сверху обклеивается плотной бумагой. Бумага для обклейки берется шире ленты на 10 мм. На выступающих краях бумаги заделывают два жестких монтажных проводника.

К этим проводникам с внутренней стороны бумажной гильзы припаивают выводы от обкладок конденсатора, как это показано на рисунке.

Готовый конденсатор заливается парафином.

Если Вы замыслили построить лазер, ускорительную трубку, генератор электромагнитных помех или что-нибудь еще в этом роде, то рано или поздно Вы столкнетесь с необходимостью использовать малоиндуктивный высоковольтный конденсатор, способный развивать нужные Вам Гигаватты мощности. В принципе можно попытаться обойтись использованием покупного конденсатора и что-то близкое к тому, что Вам нужно даже имеется в продаже. Это керамические конденсаторы типа КВИ-3, К15-4, ряд марок фирм Murata и ТDK, ну и конечно зверь Maxwell 37661 (последний, правда, масляного типа)

Использование покупных конденсаторов, однако имеет свои недостатки.

Они дороги.
Они малодоступны (Интернет, конечно, связал людей, но таскать деталюшки с другого конца земного шара несколько напрягает)
Ну и самое, конечно, главное: они все-равно не обеспечат требуемых Вами рекордных параметров. (Когда речь идет о разряде за десятки и даже единицы наносекунд для питания азотного лазера или получения пучка убегающих электронов из неоткачной ускорительной трубки, ни один Максвелл Вам не в помощь)

По этому гайду мы будем учиться делать самодельный малоиндуктивный высоковольтный конденсатор на примере платы, предназначенной для использования в качестве драйвера лампового лазера на красителях. Тем не менее принцип является общим и с его использованием Вы сможете строить конденсаторы в частности (но не ограничиваясь) даже для питания азотных лазеров.

Как происходит накопление заряда?

Предположим, что первый круг имеет недостаток свободных зарядов, что в нашем случае означает недостаток свободных электронов в металлических пластинах. При движении второго диска его пластины будут поочередно соприкасаться со щетками на проводнике 8, и, соответственно, на них будет образован избыток свободных носителей зарядов.
Это происходит потому, что пластины с обоих сторон, между которыми расположен диэлектрик (материал дисков), представляют собой плоский конденсатор, но такой конденсатор, обкладки которого двигаются. Электрический заряд на таком конденсаторе индуцируется, или иначе говоря — наводится.

Дальше происходит следующее. Пластины, второго диска, дойдя до щеток контакта 6 отдадут свои электроны в накопитель в виде лейденской банки (конденсатор). Эта лейденская банка будет накапливать заряд -Q

. Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее. Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении. Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд
+Q
.

Чем чаще пластины обоих дисков соприкасаются со щетками на проводниках 6 и 7, тем большее количество зарядов накапливается на них. Лейденские банки, если они установлены, будут заряжаться всё сильнее и сильнее, до тех пор, пока кулоновские силы не начнут противодействовать дальнейшему накоплению зарядов. Это значит, что есть предел накопления, который можно характеризовать также и разностью потенциалов (напряжением) между двумя контактами 6 и 7.

Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q

и
-Q
, либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.

Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд?

Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.

Электрофорная машина Вимшурста является машиной с самовозбуждением, то есть для начала ее работы не требуется подвод какого-либо дополнительного заряда.

Лейденская банка или простейший конденсатор своими руками

Добрый день! Сегодня я бы хотел вам показать, как сделать лейденскую банку, простейшее устройство, в котором можно хранить электрический заряд.
Статическое электричество это всего лишь недостаток или избыток электронов на поверхности предмета. Один из путей образования статического электричества — контакт двух разнородных предметов. Многие еще со школы помнят эксперимент с эбонитовой палочкой. Если потереть ее шерстью то часть электронов перебежит на палочку и шерсть останется заряжена положительно, а палочка из-за переизбытка электронов — отрицательно и сможет притягивать легкие предметы. Приступим к изготовлению

Классическая лейденская банка обычно делается из стеклянной банки, но у нее слишком толстые стенки, и заряд накапливается не особо большой. Поэтому мы будем использовать пластиковую банку с тонкими стенками. В качестве проводника будем использовать пищевую фольгу, или фольгу от шоколадки.
Шаг 1
Банку нужно покрыть ровным слоем фольги примерно на две трети в высоту, включая само донышко. Избегайте больших складок и разрывов.

Шаг 2

Теперь тоже самое нужно сделать изнутри, до той же высоты, что и внешняя обкладка.

Шаг 3

В центре банки закрепите приемник из фольги, который должен касаться фольги внутри банки. Верхнюю часть нужно вывести из банки наружу.
Если вам лень возиться с оклейкой внутренней части банки,то можно просто налить туда соляного раствора ровно до того уровня, до которого фольга наклеена снаружи.( приемник должен одним концом касаться воды Итак, теперь у нас есть куда накапливать заряд с расчески. Чтобы сделать это, возьмитесь на наружную обкладку одной рукой и проводите рядом с приемником заряженной расческой другой рукой. Разрядить банку на себя можно взявшись рукой за обкладку и поднеся палец к приемнику. А еще можно сделать вот такой классный разрядник из куска фольги, который даст более ровную и красивую искру. На заметку: на пробой 1мм воздуха нужно напряжение в одну тысячу вольт. Кстати, влажность воздуха критически влияет на длину искры( чем суше у вас в квартире, тем длиннее будет искра).
Спасибо за внимание!

Оригинальное видео автора

: Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Работа в термодинамике

В термодинамике работа, совершённая газом при расширении, рассчитывается как интеграл давления по объёму:

A1→2=∫V1V2PdV.{\displaystyle A_{1\rightarrow 2}=\int \limits _{V_{1}}^{V_{2}}PdV.}

Работа, совершённая над газом, совпадает с этим выражением по абсолютной величине, но противоположна по знаку.

Естественное обобщение этой формулы применимо не только к процессам, где давление есть однозначная функция объёма, но и к любому процессу (изображаемому любой кривой в плоскости PV
), в частности, к циклическим процессам.
В принципе, формула применима не только к газу, но и к чему угодно, способному оказывать давление (надо только чтобы давление в сосуде было всюду одинаковым, что неявно подразумевается в формуле).

Эта формула прямо связана с механической работой. Действительно, попробуем написать механическую работу при расширении сосуда, учитывая, что сила давления газа будет направлена перпендикулярно каждой элементарной площадке, равна произведению давления P

на площадь
dS
площадки, и тогда работа, совершаемая газом для смещения
h
одной такой элементарной площадки будет
dA=PdSh.{\displaystyle dA=PdSh.}
Видно, что это и есть произведение давления на приращение объёма вблизи данной элементарной площадкой. А просуммировав по всем dS

, получим конечный результат, где будет уже полное приращение объёма, как и в главной формуле раздела.

Каков принцип работы электрофорной машины

Из силы оператора берется энергия для смены знаков. Уже между уравнителями и щетками диски двигаются со взаимным отталкиванием навстречу друг другу. Свою роль играет количество оборотов в минуту. Повышена плотность заряда. Сильнейший заряд противолежащих дисков выталкивает остатки через отрезки медной проволоки. Из этого вытекает энергия, достаточная для смены знака.

Watch this video on YouTube

За счет повышения показателей поверхностной плотности происходит съем заряда в приборе. В единичной точке делаются энергетические запасы в банке Лейдена, другое место служит для изменения знака. Индукционные нейтрализаторы практически не имеют отличий. Они оба выполняют общую функцию нейтрализации энергии. Общая схема:

Существует 2 типа конденсаторов в конструкции: банки Лейдена, где заряд накапливается, и комбинация сегмента обоих дисков с диэлектриком и алюминиевой обкладкой.
Понижением заряда алюминиевых сегментов занимаются 2 вида нейтрализаторов. Первый используется для смены знака или поляризации, второй для зарядки лейденовской банки.

Вся энергия поступает не от трения алюминия и меди или электризации воздуха. Она создается за счет принудительных наполнений конденсаторов силой кручения диска. Все процессы выполняются благодаря резкому повышению в точках съема поверхностной плотности зарядов.

Watch this video on YouTube

После лейденской банки

Устройства использовались свыше полутораста лет с большим успехом. При помощи лейденской банки построен первый колебательный контур. Поскольку везде использовался постоянный ток, потребности изобретать не было. Довольствовались гальваническими элементами, лейденскими банками. Позже появились аккумуляторы, разновидность электрохимического источника тока.

Забавно, серьезные предпосылки появления первых конденсаторов в сегодняшнем виде создал опять-таки Никола Тесла. Много написано о сербе, не перечесть заслуг. Ученый начал для моделирования устройств использовать колебательные цепи. Знаменитая башня Вондерклифф – резонансный электрический контур впечатляющих размеров.

В конце XIX века стали появляться на свет конденсаторы различного толка.

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.

Введение

Конденсатор — это элемент электрической цепи, состоящий из двух проводящих обкладок, каждая из которых содержит противоположный по знаку электрический заряд. Обкладки разделены диэлектриком, который помогает им сохранять этот заряд.

Существует несколько типов изоляционных материалов, используемых в конденсаторах, в том числе, керамика, слюда, тантал и полистирол. Широко используются в производстве конденсаторов также такие изоляторы, как воздух, бумага и пластик. Каждый из этих материалов эффективно предотвращает обкладки конденсатора от соприкосновения друг с другом.

Цель: найти, изучить и показать виды конденсаторов, выявив наиболее актуальный для будущего. Модель простейшего конденсатора — лейденской банки — изготовить и показать ее для наглядного примера девятиклассникам.

Актуальность: В современном мире, благодаря гигантским усилиям многих тысяч выдающихся деятелей науки и техники разных стран, достигнуты невиданные успехи в открытии и изучении законов природы и их использования на благо человечества.

Как известно, одним из магистральных направлений научно — технического прогресса является электротехника.

Изобретение конденсатора и создание первого электрохимического источника тока – важнейшие страницы в летописи электричества

Проблема: На конкретных примерах наиболее выдающихся открытий и изобретений в области электротехники и радиоэлектроники я постараюсь показать не только роль знания в истории создания того или иного технического устройства, но и вступив на путь технического творчества, возможно сумею в будущем сделать свой вклад в развитие науки и техники.

План достижения цели:

Найти и проанализировать информацию о различных видах конденсаторов, новых разработках.

Создать модель простейшего конденсатора — лейденскую банку.

Донести полученную информацию до девятиклассников при изучении этой темы для повышения их интереса к изучению предмета.

Лейденская банка — первый электрический конденсатор, изобретённый голландскими учёными Мушенбруком и его учеником Кюнеусом в 1745 в Лейдене. Диэлектриком в этом конденсаторе служило стекло сосуда, а обкладками — вода в сосуде и ладонь экспериментатора, которая держала сосуд. Выводом внутренней обкладки служил металлический проводник, пропущенный в сосуд и погруженный в воду.

Что такое емкость конденсатора? Понятие «емкость конденсатора» характеризует его способность накапливать электрический заряд. Единицей измерения емкости является Фарада.

Если конденсатор сохраняет заряд 1 кулон при разности потенциалов между его обкладками 1 Вольт, то он имеет емкость величиной в одну Фараду. В действительности, эта единица слишком велика для большинства практических применений.

Типичные величины емкостей при использовании конденсаторов попадают в диапазоны милифарад (10-3 Ф), микрофарад (10-6 Ф) и пикофарад (10-12 Ф).

Какие бывают конденсаторы? Чтобы понять, что такое конденсатор, необходимо рассмотреть основные типы этого компонента в зависимости от назначения, условий применения и вида диэлектрика.

Электролитические конденсаторы используются в цепях, где требуется большая емкость. Большинство таких элементов полярны. Обычные материалы для них — тантал или алюминий.

Алюминиевые электролитические конденсаторы значительно дешевле и имеют более широкое применение. Тем не менее, танталовые обладают существенно большей объемной эффективностью и имеют превосходные электрические характеристики.

Танталовые конденсаторы имеют в качестве диэлектрика оксид тантала. Отличаются высокой надежностью, хорошими частотными характеристиками, широким диапазоном рабочих температур.

Они широко используются в электронной аппаратуре, где необходим высокий уровень емкости при небольших габаритах. В силу своих преимуществ производятся в больших объемах для нужд электронной промышленности.

К недостаткам танталовых конденсаторов можно отнести чувствительность к пульсациям тока и перенапряжениям, а также относительную дороговизну этих изделий.

Силовые конденсаторы, как правило, используются в системах высокого напряжения. Они широко применяются для компенсации потерь в линиях электропередач, а также для улучшения коэффициента мощности в промышленных электроустановках. Изготавливаются из высококачественной металлизированной пропиленовой пленки с применением специальной пропитки нетоксичным изоляционным маслом. Могут иметь функцию самоликвидации внутренних повреждений, что придает им дополнительную надежность и увеличивает срок службы.

Керамические конденсаторы имеют в качестве материала диэлектрика керамику. Отличаются высокой функциональностью по рабочему напряжению, надежностью, низкими потерями и дешевизной. Диапазон емкостей их варьируется от нескольких пикофарад до примерно 0,1 мкФ.

В настоящее время являются одним из наиболее широко используемых типов конденсаторов, используемых в электронном оборудовании.

Серебряные слюдяные конденсаторы пришли на смену широко распространенным ранее слюдяным элементам. Обладают высокой стабильностью, герметичным корпусом и большой емкостью на единицу объема.

Широкому применению серебряно-слюдяных конденсаторов мешает их относительная дороговизна.

У бумажных и металлобумажных конденсаторов обкладки изготовляются из тонкой алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется специальная бумага, пропитанная твердым (расплавленным) или жидким диэлектриком.

Применяются в низкочастотных цепях радиоустройств при больших токах. Отличаются относительной дешевизной.

Для чего нужен конденсатор

Имеется целый ряд примеров использования конденсаторов в самых разнообразных целях.

В частности, их широко применяют для хранения аналоговых сигналов и их цифровых данных.

Конденсаторы переменной емкости используются в телекоммуникационной связи для регулировки частоты и настройки телекоммуникационного оборудования. Типичным примером их применения является использование в источниках питания. Там эти элементы выполняют функцию сглаживания (фильтрацию) выпрямленного напряжения на выходе этих устройств.

Они также могут быть использованы в умножителях напряжения для генерации высокого напряжения, многократно превышающего входное напряжение.

Конденсаторы широко применяются в различного рода преобразователях напряжения, устройствах бесперебойного питания для компьютерной техники и т.д.

Создание лейденской банки

Этот зимний день 1745 г. запомнился голландскому профессору из г.Лейдена Питеру Мушенбруку (1692-1761) на всю жизнь. Он оказался среди многих физиков, занимавшихся опытами с электростатической машиной. Важно было «накопить» получаемые от нее заряды. Зная, что стекло не проводит электричество, Мушенбрук наполнил стеклянную банку водой и опустил в нее конец медной проволоки, соединенной с кондуктором машины. Он правильно предположил, что заряды начнут накапливаться в банке.

Взяв стеклянную банку в правую руку, он попросил своего помощника вращать шар машины, и когда, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, Мушенбрук решил левой рукой отсоединить проволоку от кондуктора (рис.1).

Сам того не подозревая, он «пропустил» через себя накопленные заряды – ведь его руки стали внутренней и наружной обкладками банки. Естественно, профессор получил сильный удар, и ему показалось, что «пришел конец».

О своих ощущениях ученый писал: « Медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, но рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, одним словом, я думал, что пришел конец… »

В письме своему коллеге Реомюру в Париж в январе 1746 г. он написал, что этот «… новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что он даже «ради Короны Франции» не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению». Эффект электрического разряда был усилен еще и неожиданностью, с которой произошел.

Рис.1. Опыт Мушенбрука (со старинной гравюры)

Выяснилось, что в сосудах того типа, о котором пишет Мушенбрук, электричество может накапливаться в весьма значительных количествах. Так была открыта прославленная впоследствии «лейденская банка» – простейший конденсатор.

Рис.2. Опыт Мушенбрука (со старинной гравюры)

Письмо Мушенбрука произвело подлинную сенсацию, его опыт стали повторять не только физики, но и многие любители, интересующиеся новыми открытиями.

Как это часто бывает, в том же 1745 г. независимо от Мушенбрука подобная банка была создана немецким физиком Э. Клейстом. Клейст, не зная о лейденских опытах, устроил подобный же прибор, поэтому Лейденская банка называется иногда банкою Клейста.

В печати изобретение «банки» «приветствовалось, как великое открытие».

Новость о лейденской банке с большой скоростью распространилась по Европе и не слишком просвещенной тогда Америке. Мушенбрук, и до того известный, стал лейденской достопримечательностью. С ним, в частности, познакомился Петр Великий, когда работал на верфях в Голландии. Позже Петр заказал для новой Академии наук различные приборы именно Мушенбруку «сделать повелеть».

В лабораториях, аристократических салонах, на ярмарках ставились удивительнее опыты, неприятные, забавные и волнующие одновременно.

Французская столица, разумеется, не могла остаться в стороне от «лейденского поветрия». Особую известность приобрел опыт с лейденской банкой, осуществленный «мастером экспериментов» французским физиком аббатом Ж. Нолле в Версале в присутствии короля.

Королевские мушкетеры тоже провели перед королем подобный опыт в Версале. Даже гвардейская дисциплина оказалась бессильной перед ударом лейденской банки:

Нолле выстроил цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем «первый держал в свободной руке лейденскую банку, а последний, прикоснулся к проволоке, извлекая искру… Удар почувствовался всеми в один момент, было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части почувствовавших удар».

Далеко не всем известно, что от этой цепи солдат произошел термин «электрическая цепь».

Далее и 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент, под руководством ученого придворного «электрика» короля, специально ведавшего различными электрическими увеселениями, аббата Нолле.

В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули с ужасом.

«Первый держал в свободной руке банку, а последний извлекал искру; удар почувствовался всеми в один момент. Было очень курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар».

Несмотря на неприятное ощущение, тысячи и тысячи людей хотели подвергнуться эксперименту.

Изготавливались новые банки, все более мощные.

Лейденская банка стала непременным атрибутом электрических исследований. С ее помощью получали крупные электрические искры – иной раз до нескольких сантиметров.

Электрические опыты приобрели необыкновенную популярность. Они стали одним из изысканнейших развлечений.

Целые представления, занимательные, чуть не театральные зрелища разыгрывались перед восторженными зрителями.

Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного стоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком — так, появился простейший конденсатор.

В 1746 г. появились различные модификации лейденской банки с фольговыми обкладками, с внутренней обкладкой из металлических опилок или дроби и т. д. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона и после ряда усовершенствований стала одним из важнейших электротехнических устройств.

Опыты с лейденской банкой стали производить физики разных стран, а в 1746—1747 гг. первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель физического кабинета англичанин В. Уатсон. В своем письме хранителю Физического кабинета в Royal Society В. Уатсону Мушенбрук писал: «Своими великолепнейшими опытами ты поразил всех!» Небезынтересна отметить, что Уатсон стремился определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» 12 000 футов.

Мушенбрук для избежания болезненных опытов разряда банки через человеческое тело придумал употребление металлического разрядника, а для получения усиленного действия от банок устроил первую батарею из 3 банок. Гралат, Ватсон, Бевис и др. постепенно улучшили устройство Лейденских банок и батарей.

Теория действия Лейденской банки та же, что и вообще электрического конденсатора, преимущество ее перед пластинчатым конденсатором заключается в большей поверхности и замкнутости при других одинаковых условиях.

Источником зарядов для Лейденской банки может быть электрическая батарейка, генератор и т. д. Так же простая эбонитовая палочка, потертая о шерсть или мех. Если такой палочкой, несущей в себе свободные электроны, коснуться металлического стержня в горлышке сосуда, электроны перетекут с палочки на внутренний электрод. Таким образом отрицательный заряд будет перенесен на внутренний электрод. Поскольку способность накапливать заряды у сосуда ограничена их взаимным отталкиванием, их переход на электрод не может быть бесконечным. Способность накапливать или удерживать заряды называется емкостью.

В лейденской банке емкость увеличивается благодаря наличию второго электрода на внешней стенке сосуда. Если этот электрод заземлить, то заряд, накопленный на внутреннем электроде, будет притягивать из земли такой же по величине заряд противоположного знака. Накопленный на наружном электроде положительный заряд притягивает находящиеся на внутреннем электроде отрицательно заряженные электроны, частично нейтрализуя силы отталкивания, сдерживающие накапливание электронов. Благодаря этом емкость сосуда увеличивается. Однако расти бесконечно она не может.

Имеются два пути увеличения емкости лейденской банки. Один из них заключается в увеличении площади электродов, чтобы дать возможность зарядам рассредоточиться в большем пространстве и тем самым уменьшить силу взаимного отталкивания электронов. Другой путь — уменьшить толщину стеклянной стенки сосуда, разделяющей заряды, скапливающиеся на внутреннем и внешнем электродах. Не надо забывать при этом, что если стекло будет слишком тонким, электроны смогут пройти сквозь него, создавая искровой разряд, что приведет к рассеянию заряда.

Оба пути в лейденской банке трудно реализовать, но они входят в число трех классических способов, к которым прибегают современные ученые и инженеры при разработке новых конструкций конденсаторов. Третье направление увеличения емкости — учет особенностей поведения электронов в изоляторах. Хотя электроны в изоляционном материале неподвижны, они все же могут слегка смещаться под воздействием сил притяжения или отталкивания, действующих со стороны электродов. На одной стороне разделяющего электроды диэлектрика электроны как бы «вспучиваются» под его поверхностью, создавая отрицательный заряд, на другой его стороне они «утопают» в толщу диэлектрика, увеличивая в подповерхностной зоне значение положительного заряда. Таким образом, созданные в диэлектрике заряды способствуют нейтрализации зарядов на обкладках.

Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины Это было первое сравнительно широкое практическое применена электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучении электрических явлений.

Рис. 3. Лейденская банка

В течение последующих десятилетий конструкция лейденской банки усовершенствовалась: вначале воду заменили дробью, а наружная поверхность обкладывалась тонкими свинцовыми пластинами, затем внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать листами (оловянной фольгой), и банка приобрела современный вид.

Исследования физиков привели к выводу о том, что количество электричества, накапливаемого в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя.

В 1782 г. французский ботаник Адансон, посетив Сенегал, впервые сравнил удар электрического угря с ударом лейденской банки.

Петербургский академик Ф.У. Т. Эпинус (1724-1802) впервые отверг утверждение известного американского физика Б. Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и впервые создал простейший «воздушный» конденсатор, состоявший из двух металлических пластин, разделенных воздушной прослойкой.

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.

В 70-х гг. 18 века металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком – так появился простейший электрический конденсатор (слово конденсатор означает сгуститель), а не соединяющиеся между собой полоски фольги называются обкладками конденсатора.

Рис. 4 Лейденская банка из Королевского шотландского музея в Эдинбурге

Рис. 5 Лейденская банка — основа современной электрофорной машины, служащей для проведения опытов по электростатике в школе

Трудно себе представить какую бы то ни было электронную схему, в которой не используются конденсаторы. За два с половиной века своего существования они весьма значительно изменили свой облик и сегодня отвечают всем требованиям передовой технологии.

Некоторые конденсаторы стоят не больше рубля, но их производство в мировом масштабе исчисляется миллиардами долларов.

Изобретение лейденской банки — новая страница в летописи электричества.

Практическая часть

Изготовление лейденской банки – первого в истории простейшего конденсатора.Для изготовления потребуется любая стеклянная посуда с крышкой. Например, банка из-под кофе. Емкость конденсатора во многом зависит от ее объема, но для демонстрации простых электрических опытов можно соорудить небольшой.

Приготовим стеклянную емкость с пластмассовой крышкой, алюминиевую фольгу и два небольших отрезка провода. (можно заменить пластиковым стаканчиком и скрюченными полосками фольги).

экземпляр.

Итак, подходящую баночку снаружи и изнутри аккуратно обклеиваем алюминиевой фольгой, стараясь не допускать в ней складок или разрывов. Она будет служить обкладками конденсатора.

С помощью липкой ленты к обеим обкладкам крепим заранее зачищенные провода.

Затем, нужно в крышке проделать отверстие, и пропустите в него провод, который соединяется с внутренним слоем фольги. Крышку «возвращаем» на место.

На этом, собственно, и все. Лейденская банка готова!

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.

Конструкция лейденской банки

Лейденская банка стала напоминать закрутки. Заменили винную бутылку. Поверх плотно накручивали металлическую крышку, входящую в электрод. Банки стали объединять батареями (показано рисунком), ставили в ящик. Мушенбрук заметил: без присмотра прибор быстро теряет заряд.

Лейденские банки Маркони

Лейденские банки использовала техника по простой причине. Давали сильный сигнал, позволяющий функционировать телеграфу. Зарядить прибор можно было вручную, неплохая альтернатива. Определение покажется странным, раньше приборами телеграфной связи оборудовали корабли. Моряки избегают шуток. Представленное изображение демонстрирует продукцию фирмы Маркони, оборудование стояло на затонувшем Титанике.

Описание машины Вимшурста

Машина состоит из двух дисков, которые выполнены из хорошего диэлектрика, например эбонита, акрила и т.п. Эти диски свободно насажены на ось и могут вращаться вокруг горизонтальной оси. Сами диски располагаются вертикально. С помощью рукоятки 1 оба диска приводятся в разнонаправленное вращение. Один диск вращается по часовой стрелки, а другой против часовой. Это обеспечивается с помощью приводных ремней 2 и 3, один из которых перекручен на 180° на одном из шкивов. За счет этого обеспечивается разнонаправленное вращение дисков, которое необходимо для индукции зарядов. Оба диска вращаются от одной рукоятки и поэтому будут вращаться одновременно.

На наружной части каждого диска наклеены металлические полоски 4, которые не касаются краев диска, а выполнены на некотором расстоянии от них. Полоски расположены радиально, в виде лучей, исходящих из центра диска. Оба диска имеют одинаковое количество и расположение полосок, можно сказать, что один диск является отражением другого.

Полоски при вращении дисков соприкасаются со щётками 5, которые выполняют роль контакта для переноса заряда по проводникам 6, 7, 8 и 9. При работе машины Вимшурста металлические полоски в месте контакта со щетками могут изнашиваться и конструктивно этот износ должен быть сведен к минимуму, а надежность контакта к максимуму. Проводники 6 и 7 служат для съема и накопления образованных зарядов с обоих дисков. Проводники 8 и 9 расположены каждый по одну сторону диска и соединяют диаметрально противоположные полоски.

Таким образом мы имеем два типа проводников. Одни (6 и 7) для съема зарядов, а 8 и 9 для установления своеобразной «земли» — линии нейтрального потенциала. Проводники 6 и 7 расположены на одной геометрической диаметральной оси относительно дисков, а проводники 8 и 9 относительно друг друга повернуты на угол 90°.

Можно также заметить, что между проводниками 8 и 9 проводники 6 и 7 расположены по середине и отстоят на угол 45°. Таким образом мы видим, что конструктивно машина выполнена симметрично и достаточно просто, чтобы изготовить ее самостоятельно.

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:

Сдвоенные уравнители лежат практически перпендикулярно друг другу.
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.

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.

Популярные статьи Арбалет — новые посты

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.

Математическое выражение емкости

Находятся люди, ненавидящие исторические экскурсы, веселые анекдоты, приведенные ниже, подробное изложение. Посещают интернет, выуживая формулу электроемкости лейденской банки, хотят немедленно видеть. Пожалуйста:

C = q/U, q – накапливаемый лейденской банкой заряд, U – разница потенциалов между выводами. Иное выражение позволяет выразить электроемкость конденсатора площадью обкладок, расстоянием меж ними:

электроемкость конденсатора повышается ростом площади, уменьшением зазора. ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε(0) – электрическая постоянная, равная 8,85 пФ/м.

По указанным причинам наибольшей электроемкостью обладают электролитические конденсаторы оксидного типа. Обкладки расположены впритык.

Конструкция

Конструкция изобретения Джеймса Вимхерста описана плохо в открытых источниках, часто люди не в силах объяснить, как работает электрофорная машина.

Общая идея

Два вращающихся друг против друга соосных диска несут простейшие конденсаторы из секторов алюминия. За счет случайных процессов в начальный момент на одном из сегментов – равномерно расположенных по кругу – образуется заряд. Это вызвано процессами трения о воздух либо прочими причинами. Причем, поскольку конструкция симметричная, знак заранее не предсказуем. Не рекомендуется ставить в электрофорную машину электролитические конденсаторы.

Вместо этого применяются две лейденские банки. Их внешние обкладки из фольги объединены, чтобы создать единую систему из последовательно включенных конденсаторов. Так уменьшаются требования к рабочему напряжению каждой емкости в два раза. Номиналы подбираются по возможности одинаковыми. В противном случае требования к рабочему напряжению распределятся неравномерно, что приводит к негативным последствиям.

Напряжение с сегментов дисков снимается при помощи индукционных нейтрализаторов. Ниже описан принцип действия. По сути конструкция, напоминающая металлический гребень, на некоторой высоте парит над диском. Нейтрализаторы спаренные, в точку съема заряда оба диска приходят с эквивалентным знаком на внешней поверхности. После разгрузки заряд сегментов сильно падает. Это обусловлено особой конструкцией индукционных нейтрализаторов, оставляющих поверхностную плотность заряда в районе 0,2 – 6 мкКл на метр в квадрате. В избранных конструкциях щетка слегка касается краем диска.

Прогрессивный рост поверхностной плотности заряда на сегментах в точке съема обусловлен тем, что навстречу друг другу движутся системы, создающие электрические поля, чьи напряженности направлены в противоположные стороны. Получается, что собственной рукой оператор (либо за счет силы электрического привода) отталкивающиеся системы насильно сближает. Взаимодействующие заряды пытаются расположиться подальше друг от друга. Это вызывает резкий рост поверхностной плотности зарядов в точках съема.

От гребенок нейтрализаторов электричество собирается в лейденские банки. Напряжение быстро растет, чтобы избежать выхода системы из строя вследствие превышения допустимых параметров конденсаторов, к двум электродам прикреплен разрядник. Дистанция между ними, как правило, регулируется, что позволяет получить дугу различной силы. Чем больше напряженность поля между разрядниками, тем более шумным эффектом сопровождается процесс опустошения лейденских банок.

После точки съема заряда сегменты остаются пустыми. Через 30 градусов по ходу движения диска стоят уравнители потенциала, называемые нейтрализаторами по принципу действия. Авторы обзора назвали бы уравнителями. Противоположные стороны диска отдали уже заряд у разных щеток. Следовательно, после прохождения точки съема знаки остатков заряда на них неизменно различны. И кусок толстой медной проволоки с щетками из тонких проволочек, трущих сегменты или парящих на малой высоте, замыкают накоротко указанные противоположности. В результате заряд на обоих сегментах становится равным нулю, энергия превращается по закону Джоуля-Ленца в тепло, выделяющееся на толстой медной жиле.

После обнуления диски продолжают двигаться во встречном направлении. Получается, освобожденный от заряда сегмент одного круга вращения оказывается напротив полупустого сегмента другого. Заряд между емкостями немедленно делится поровну, ведь диски сконструированы по одинаковым чертежам. Следовательно, кажутся идентичными. Первый диск отдает половину заряда, идет на точку съема. Второй достигает точки уравнителя потенциала первого и там отдает половину заряда.

Порой люди интересуются принципом работы прибора, ведь первый диск отдал остаточный заряд на уравнителе, второй поступил аналогично. Где взять энергию для смены знака?

https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-elektrofornaya-mashina-i-kak-ona-rabotaet
https://fb.ru/article/136480/elektrofornaya-mashina—printsip-rabotyi-kak-sdelat-elektrofornuyu-mashinu-svoimi-rukami
https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html

II. СБОРКА

Когда проектируется устройство, требующее малоиндуктивного питания, думать надо о конструкции в целом, а не отдельно о конденсаторах, отдельно о (например) лазерной головке и т.д. В противном случае токоведущие шины сведут на нет все преимущества малоиндуктивного дизайна конденсаторов. Обычно конденсаторы являются органичной составной частью подобных устройств и именно поэтому примером будет служить плата драйвера лазера на красителях. Блажен тот самодельщик, вокруг которого валяются листы стеклопластика и оргстекла. Мне же приходится использовать кухонные разделочные доски, продающиеся в магазине. Возьмите кусок пластика и обрежьте в размер будущей схемы.

Идея схемы примитивна. Это два конденсатора, накопительный и обострительный, включенные через разрядник по схеме с резонансной зарядкой. Детально разбираться с работой схемы здесь мы не будем, наша задача тут — сосредоточиться на сборке конденсаторов.

Определившись с размерами будущих конденсаторов отрежьте кусочки алюминиевого уголка по размерам будущих контакторов. Уголки тщательно обработайте по всем правилам высоковольтной техники (скруглите все углы и затупите все острия).

Закрепите выводы будущих конденсаторов на получающейся «печатной плате».

Смонтируйте те части схемы, которые, если их не собрать сейчас, потом могут помешать сборке конденсаторов. В нашем случае это соединительные шины и разрядник.

обратите внимание, малая индуктивность при установке разрядника принесена в жертву удобству регулировки. В данном случае это оправдано, поскольку собственная индуктивность (длинной и тонкой) лампы заметно больше индуктивности цепи разрядника, а кроме того лампа по всем законам черного тела не будет светить быстрее чем sigma*T^4, какой бы быстрой цепь питания ни была. Укоротить можно только фронт, но не весь импульс. С другой стороны, при конструировании, например, азотного лазера так вольно крепить разрядник Вы уже не станете.

Следующим этапом надо нарезать фольгу и, возможно, ламинат-пакеты (если только размер конденсатора не предполагает использование полного формата пакета, как в случае накопительного конденсатора на рассматриваемой плате.)

Несмотря на то, что ламинирование в идеале происходит герметично и пробой по закраинам должен быть исключен, не рекомендуется делать закраины (размер d на рисунке) менее чем по 5 мм на каждые 10 кВ рабочего напряжения. Закраины размером по 15 мм на каждые 10 кВ напряжения обеспечивают более-менее стабильную работу даже без герметизации. Размер выводов (размер D на рисунке) выбирайте равным предполагаемой толщине стопы будущего конденсатора с некоторым запасом. Углы фольги, естественно, должны быть скруглены. Начнем с пикового конденсатора. Вот как выглядят заготовки и готовая, заламинированная обкладка:

Для пикового конденсатора взят ламинат толщиной 200 мкм, поскольку за счет «резонансной» зарядки здесь ожидается наброс напряжения под 30 кВ. Заламинируйте необходимое количество обкладок (в нашем случае 20 шт.). Сложите их стопкой (выводами поочередно в разные стороны). У полученной стопки подогните выводы (при необходимости излишки фольги надо обрезать), уложите стопку в гнездо, образованное уголковыми контакторами на плате и прижмие верхней крышкой.

Фетишисты закрепят верхнюю крышку аккуратными болтиками, но можно и просто примотать изолентой. Пиковый конденсатор готов.

Сборка накопительного конденсатора ничем принципиально не отличается. Меньше работы ножницами, поскольку используется полный формат А4. Ламинат здесь выбран толщиной 100 мкм, поскольку планируется использовать зарядное напряжение 12 кВ. Точно так же собираем в стопку, подгибаем выводы и прижимаем крышкой:

Кухонная досточка с подрезанной ручкой выглядит, конечно злостно, но функциональности не нарушает. Надеюсь, что у Вас с ресурсами проблем будет меньше. Да и вот еще что: если в качестве основания и крышки надумаете использовать деревяшки, их придется серьезно подготовить. Первое — хорошенько просушить (лучше при повышенной температуре). И второе — герметично пролакировать. Уретановым или виниловым лаком. Дело здесь не в электропрочности и не в утечках. Дело в том, что когда поменяется влажность деревяшки изогнет. Во-первых это нарушит качество контакта и удлинит время разряда конденсаторов. Во-вторых, если как здесь поверх этой платы предполагается монтировать лазер, его тоже изогнет со всеми вытекающими последствиями.

Загибая выводы не забудьте проложить по дополнительному слою изоляции. А то в самом деле: обкладки друг от друга отделены двумя слоями диэлектрика, а выводы от обкладки противоположной полярности — только одним. Посмотрим, что у нас получилось. Воспользуемся мультиметром со встроенным измерителем емкости. Вот что показывет накопительный конденсатор.

А вот что показыват пиковый конденсатор.

Вот, собственно и все. Конденсаторы готовы, тема гайда исчерпана. Однако, вероятно не терпится опробовать их в деле. Доделываем недостающее части схемы, устанавливаем лампу, подключаем к источнику питания. Вот как это выглядит.

Вот осциллограмма, тока, снятая небольшим колечком провода, непосредственно подключенным к осциллографу и расположенным вблизи контура, питающего лампу. Правда вместо лампы схема была нагружена на шунт.

А вот осциллограмма вспышки лампы, снятая фотодиодом ФД-255, направленным на ближайшую стену. Рассеянного света вполне хватает. Правильней даже сказать «более чем.»

Можно долго ругать плохо получившиеся кондесаторы и искать причину, почему разряд длится более 5 мкс… На самом деле лампа вспышка вываливает кучу мегаватт и даже рассеяным от стен светом загоняет фотодиод в глубокое насыщение. Унесем фотодиод подальше. Вот осциллограмма снятая с 5 метров, когда фотодиод смотрит не точно на лампочку, а чуть в сторону от нее.

Время нарастания точно определить сложно из-за помех, однако видно, что оно составляет порядка 100 нс и хорошо согласуется с длительностью полупериода тока. Оставшийся хвост в световом импульсе — свечение медленно остывающей плазмы. Полная длительность — под 1 мкс. Хватит ли этого для лазера на карасителе? Это отдельный вопрос. Вообще обычно такого импулсьса более чем хватает, но тут все зависит от красителя (насколько он чист и хорош), от кюветы, осветителя, резонатора и т.п. Если мне удастся получить генерацию на одном из имеющихся в продаже флуоресцентных маркеров — тогда будет отдельный гайд по самодельному лазеру на красителях.

(ЗЫ) Пришлось добавить еще 30 нФ в главный накопительный конденсатор и действительно хватило. Труба, фотку которой можно найти тут же в разделе «Фотки» заработала даже лучше чем от двухмаксвелльного ГИН»а.

Вообще время разряда в 100 нс отнюдь не предел для описанной технологии создания конденсаторов. Вот фото конденсатора с которым устойчиво работает в режиме сверхизлучения воздушный откачной азотный лазер:

Время его разряда уже за пределами возможностей моего осциллографа, однако то, что азотник с этим конденсатором эффективно генерит уже при 100 мм.рт.ст. позволяет оценить время разряда в 20 нс и менее.

Что такое банки Лейдена?

Применение электрофорной машины

С 70-х гг. машина Вимшурста не используется для непосредственной добычи электрической энергии. Сегодня она выступает историческим экспонатом, иллюстрирующим историю возникновения и развития научно-технического прогресса и инженерной мысли. Лабораторная демонстрация, для чего создают электрофорную машину, показывает различные явления и эффекты электричества.

Допустимо использование индукционных нейтрализаторов, снимая заряды с жидких диэлектриков, например нефти. На любом производстве в воздухе получить искру опасно, это может привести к пагубным последствиям, задымлению и даже взрыву.

История открытий и исследований в области электричества имеет тесную связь с применением различных конструкций и устройств для получения электрических зарядов. Свою роль в научных изысканиях сыграла электрофорная машина, действие которой основано на возбуждении электричества благодаря индукции.

Сборка машины Вимшурста

В этом видео уроке будем собирать электрофорную машину, которая представляет из себя генератор . В начале рассматриваются общие вопросы по назначению и конструкции этой машины, потом подробно показаны все шаги по ее изготовлению своими руками.

Что представляет из себя электрофорная машина?

Устройство состоит из основания, на котором крепятся ее детали. Также в ее состав входят две стойки с осями, на которых крепятся два диска с металлизированным покрытием. Имеются также две лейденские банки, которые являются, по сути, конденсаторами или накопителями заряженных частиц. Разрядники, которые функционируют по мере накопления заряда конденсаторов, съемники заряженных частиц с передней и с задней стороны дисков. Диски приводятся в движение при помощи ременной передачи. Мы крутим ручку и за счет этого происходит вращение дисков.

Популярные статьи Дерево для украшений

Первые генераторы статического электричества были одновременно изобретены в Германии в одно и то же время Августом Теплером и, независимо от него, Вильгельмом Гольцем. Принцип работы электрофорной машины. Поскольку диски вращаются относительно друг друга в противоположные стороны, они создают положительные и отрицательные заряды. При вращении дисков по мере накопления зарядов происходит разряд.

Авторы видео решили изготовить данную машину, которую можно повторить своими руками в обычных домашних условиях. На сайтах в интернете есть несколько примеров создания такого генератора, но данная конструкция будет иметь двигатель.

Сначала были сделаны чертежи будущей машины. В первую очередь были рассчитаны параметры диска. После проделанной предварительной работы приступили к созданию устройства.

Основные детали

Машина будет состоять из следующих элементов. Это 2 диска, которые будут вращаться в противоположные стороны, они будут сделаны из CD-дисков. Два двигатель от компьютерного кулера, которые будут приводить их в движение. Диск будет приклеен двухсторонним скотчем на ротор мотора. Сам двигатель крепится к стойке. Стойки будут сделаны из оргстекла. Также будут использованы лейденские банки. Это пустая металлическая емкость, от которой идет один контакт, далее полистироловый диэлектрик и латунный контакт.

Изготовление электрофорной машины

Для начала нужно снять покрытие с диска, чтобы получить прозрачную заготовку. Для этого используем канцелярский нож. Для создания рабочего диска нужны эскизы, они выполнены на компьютере. Шаблон лепестка можно изготовить из подходящего материала, для этого хорошо подойдет банковская карта.

Теперь, используя шаблон, приступаем к разметке на скотче. Прикладываем шаблон и вырезаем все нужные фрагменты. Всего было вырезано 20 лепестков на один диск. Должно получиться 20 секций. Угол между двумя лепестками составляет 18 градусов. Разметка производится при помощи обычного листа в клеточку и транспортира. Теперь накладываем диск точно в середину координат, при помощи ножа или шила делаем насечки по 18 градусов. Наклеиваем лепестки в соответствии с линиями. В точной аналогии с первым диском был сделан второй диск. Он был обработан, чтобы обеспечить зазор.

У мотора удаляем желтый провод. Отсекаем ребра жесткости, чтобы можно было отсоединить двигатель. Некоторое место нужно оставить под монтажные отверстия.

Собираем ионистр своими руками

Сборка ионистра своими руками – дело не самое простое, но в домашних условиях его сделать все же можно. Есть несколько конструкций, где присутствуют разные материалы. Предлагаем одну из них. Для этого вам понадобится:

металлическая баночка от кофе (50 г);
активированный уголь, который продается в аптеках, его можно заменить истолченными угольными электродами;
два круга из медной пластины;
вата.

В первую очередь необходимо приготовить электролит. Для этого сначала надо истолочь активированный уголь в порошок. Затем сделать солевой раствор, для чего в 100 г воды надо добавить 25 г соли, и все это хорошо перемешать. Далее, в раствор постепенно добавляется порошок активированного угля. Его количество определяет консистенция электролита, она должна быть плотностью, как замазка.

После чего готовый электролит наносится на медные круги (на одну из сторон). Обратите внимание, чем толще слой электролита, тем больше емкость ионистра. И еще один момент, толщина наносимого электролита на двух кругах должна быть одинаковая. Итак, электроды готовы, теперь их надо разграничить материалом, который бы пропускал электрический ток, но не пропускал угольный порошок. Для этого используется обычная вата, хотя вариантов и здесь немало. Толщина ватного слоя определяет диаметр металлической баночки от кофе, то есть, вся эта электродная конструкция должна в нее спокойно поместиться. Отсюда, в принципе, и придется подбирать размеры самих электродов (медных кругов).

Остается только сами электроды подключить к выводам. Все, ионистр, изготовленный своими руками, да еще в домашних условиях, готов. У такой конструкции не очень большая емкость – не выше 0,3 фарад, да и напряжение зарядки всего лишь один вольт, но это самый настоящий ионистр.

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 Приложив определенную механическую силу с помощью 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.

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.

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

Из истории

Двигатель прогресса

Большинство великих изобретателей увлекались историей естествознания. Тесла заинтересовался электричеством, когда увидел искры с шерсти обыкновенного кота. В давние времена далеко не каждый имел образование. Георг Ом имел несчастье родиться в бедной семье, облагодетельствованный отцом, читал книги по математики, получил наставника. Задача, которая в 20-е годы XIX многим показалась непосильной, решена с получением закона Ома для участка цепи.

Банка

После Второй мировой страны добились невероятного развития. Россия, к сожалению, в число не входит. Несомненный успех найден, где ранее ученые умы закладывали фундамент. Достаточно посмотреть ВВП сверхдержав:

Первое место взяло США. Дикая земля с завидным постоянством служила пристанищем ученых. Промышленники постоянно думали, как заработать. Эдисон известен, побежден Николой Тесла, обманутым воротилой чуть раньше. Большая часть бытовой техники запатентована, придумана США. Миксеры, блендеры, кофеварки. Карол Поллак на конденсатор взял патент США.
КНР занимает почетное второе место. Аналитики предрекают сверхдержаве большое будущее. Другим – не нравится Китай, постоянно копирующий чужую технику. Иосиф Сталин занимался выпуском автомобилей СССР, избегая оплачивать копейки по патентам иностранных фирм. По производству конденсаторов Китай наверняка догнал тройку лидеров.
Третье место занимает Япония, ставка сделана на политику Большого рывка. До Второй мировой войны феодальная держава, последующие сорок пять лет Страна восходящего солнца последовательно занималась инновациями в наукоемкие отрасли. Изобретения пришли с островов, в силу недостаточности межнационального общения лишены должной мировой известности.
Четвертое, пятое, шестое места занимают Германия, Великобритания, Франция. Непрерывно ссорящиеся в прошлом державы переняли манеру ученых кругов, постоянно обменивающихся опытом, идеями. Предпринимались продолжительные поездки (вспомнив Дэви и Фарадея). Начало электролитических конденсаторов заложено Германией, первенство оспаривается Нидерландами (18 место).

Вывод напрашивается: научное достояние важнее сиюминутной выгоды. Достаточно придумать новый конденсатор, придумать способы использования, взять патент, немедленно начнете зарабатывать. Господь благословил Америку, утверждают жители США неофициальным гимном. Стоял позади, выступал щитом, как обещано Ветхим Заветом. Изобретатели волей провидения приносили прибыль.

Лейденская банка

Отбрасывая слухи, первым изобретателем лейденской банки, считается Эвальд фон Клейст. Явление накопления заряда обнаружили на примере бутылки из-под вина. Фон Клейст опустил в ртуть провод электростатического генератора, придерживая конденсатор. После разрыва с источником оказалось: торчащий кончик бьется током. Гораздо сильнее электростатической машины. Эффект оценивался нервной системой естествоиспытателя.

Сделан правильный вывод: заряд удаётся запасать электроемкостью, механизм остался тайной. Предполагалось, что дело в стекле (Бенджамин Франклин). Накапливает заряд. Реально провод с ртутью служили одной обкладкой образованного конденсатора. Отсутствовали инструменты оценить электроемкость прибора. На момент середины XVIII века существовал электроскоп, говорилось: заряд присутствует, доводилось делать предположение о знаке (фон Герике обнаружил: наэлектризованный шарик, притянутый человеческим носом, после соприкосновения начинает отталкиваться).

Оказалось, алкоголь проводит электрический ток. Вставив в пробку железный гвоздь, запечатав, фон Клейст наслаждался ударами запасенного тока от электроемкости конденсатора. Постепенно конструкция стала больше напоминать нынешнюю. В колбу термометра опускался провод со свинцовым шаром на конце. Емкость заполнялась водой. Отсутствовала важная деталь – вторая обкладка. Электричество могло храниться несколько часов, вызывать на демонстрациях легкие всполохи, окружающих впечатляло.

Об электрическом токе не было известно ровным счетом ничего, могло помочь проверить наличие заряда щадящими методами. Фон Клейст касался контакта пальцем, когда уставал терпеть, брал рукой кусочек золотой пластинки. Описываемые события заканчиваются октябрем 1745 года, месяцем спустя фон Клейст докладывает о своих достижениях двум другим ученым:

В Берлин доктору Либеркуну.
В Галле доктору Крюгеру.

Доказывая окружающим состоятельность работ, фон Клейст заставлял «целоваться» с конденсатором, утверждая: редкий мазохист захочет продолжения вечеринки. От излишнего усердия терщика колбы иногда разбивались. Войска конденсаторов несли потери, Бенджамин Франклин ввел термин батарея. Настолько сильным оказался шок заряда, запасенного электростатическим генератором! Фон Клейст временами втихомолку удивлялся, если конденсатор рукой не придерживать, разряд отсутствует: отсутствовало понятие электрической цепи. Предметы отказывались электризоваться контактом, фон Клейст решил: человеческое тело определенно относится к работе конденсатора.