Устройство для создания зарядов на поверхности тел и способ его применения



Устройство для создания зарядов на поверхности тел и способ его применения

 


Владельцы патента RU 2541298:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области измерительной и учебной техники и может быть использовано для изучения явлений электромагнетизма. По периметру диэлектрического диска впрессованы металлические шарики, диаметр которых равен толщине диска. Диск расположен на изолированном основании. Металлический зонд размещен на изолированном штативе с возможностью касания с каждым шариком при повороте диска, выполнен в виде заостренной иглы и соединен через вольтметр и реостат с источником питания. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания распределенного заряда с контролируемой величиной заряда. 2 н.п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

 

Изобретение относится к области измерительной и учебной техники и может быть использовано для изучения явлений электромагнетизма, создания конденсаторов с изменяющейся емкостью, зарядов с заданным законом их распределения на поверхности материалов.

Распределение зарядов на поверхности тел имеет принципиальное значение для создания материалов с заданными свойствами, создания систем для фокусировки заряженных частиц.

Демонстрация этого явления, а также создание систем с распределенными зарядами является важной практической задачей измерительной техники и представляет интерес для учебного процесса, так как обучение требует применения творчески поставленных опытов.

Известны следующие устройства и способы создания зарядов на поверхности материалов. Металлический шар помещают в электрическое поле заданной конфигурации и на поверхности шара создают индуцированный заряд с поверхностной плотностью заряда σ, величина которого зависит от полярного угла θ заряжаемого шара (Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. Шк., 1983. - С.55). Диэлектрическое непроводящее кольцо заряжают с линейной плотностью λ=λ0 cosΘ, где λ0 - положительная постоянная, Θ - азимутальный угол (Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. Шк., 1983. - С.35). Для демонстрационных опытов тела подвергают трению и электризуют (Калашников С.Г. Электричество: Учебное пособие: - М.: Наука. -С.18-20).

Эти устройства и способы не позволяют устанавливать контролируемые количественные значения распределения зарядов по поверхности тела и предназначены для демонстрационных и оценочных целей.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство и способ, описанные в работе Guisasola Jenaro, Zubimendi José L., Zuza Kristina. How much have students learned? Research-based teaching on electrical capacitance. Изучение базовых понятий электроемкости // Physical Review Special Topics - Physics Education Research 6, 020102-2010. - pp. 1-10. Устройство состоит из источника тока, вольтметра, металлического зонда, заряжаемого тела. Способ состоит в том, что источник тока соединяют с заряжаемым телом с помощью металлического зонда и вольтметра. С помощью вольтметра демонстрируют наличие заряда на теле и его изменение.

Недостатком устройства и способа является невозможность создать распределенный заряд с контролируемой величиной заряда в разных местах заряжаемого тела.

Задача - создание объектов, позволяющих получить электрические заряды на поверхности тел с заданным законом распределения электрического заряда.

Устройство содержит металлический зонд, вольтметр, источник питания, диэлектрический диск, с впрессованными по периметру металлическими шариками, диаметр которых равен толщине диска. Диск расположен на изолированном основании. Диск может поворачиваться на угол от 0° до 360° вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Зонд выполнен в виде заостренной иглы и закреплен на изолированном штативе. Зонд соединен через вольтметр и реостат с источником питания.

Способ создания заряда на поверхности тел с помощью данного устройства заключается в следующем. В диэлектрический диск впрессовывают металлические шарики. Диск устанавливают на изолированном основании. Весь диск поворачивают последовательно на угол от 0 до 360 градусов до соприкосновения металлического зонда с каждым шариком. С помощью реостата и вольтметра заряжают каждый шарик. При этом изменяют на каждом шарике подаваемое на зонд напряжение с помощью реостата, записывают показания вольтметра и угла, на который повернут диск. По формулам рассчитывают заряды на шариках. Процесс повторяют, пока не будут заряжены все шарики.

Для осуществления работы устройства определяют электрическую емкость каждого шарика С по формуле

C = 4 π ε 0 R ,                     (1)

где ε0 - электрическая постоянная, R - радиус шариков. Заряд каждого шарика Qi равен

Q = C ϕ ,                      (2)

где φ - напряжение на шарике, которое равно напряжению зонда. Напряжение зонда φ устанавливают с помощью источника питания и реостата. В данном случае реостат служит делителем напряжения, которое создает источник питания. Таким образом, заряд i-го шарика Q равен

Q i = 4 π ε 0 R ϕ .                (3)

При каждом повороте диска на угол Θ реостатом изменяют потенциал φ зонда и одновременно шарика. Поэтому заряд на диске с помощью устройства изменяют по требуемому закону. Например, если напряжение от источника питания на зонде изменяют по косинусоидальному закону

ϕ = ϕ 0 cos Θ                       (4)

то Q i = 4 π ε 0 R ϕ 0 cos Θ ,       (5)

где φ0 - начальное значение напряжение зонда и первого шарика.

Физической основой устройства является зависимость заряда металлического шарика от его размеров, потенциала и его места расположения на поверхности диэлектрического диска. Для того чтобы заряд распределялся плавно по периметру диска, размеры шариков должны быть много меньше размеров диска, т.е. более чем в 10 раз.

На чертеже показана схема устройства для реализации способа создания распределенного заряда на поверхности тел.

Устройство содержит диэлектрический диск 1 из диэлектрического непроводящего материала (например, тефлон), установленный на изолирующее основание 2, металлические шарики 3, металлический зонд 4 длиной 10-12 мм на изолированном штативе 5, вольтметр 6, реостат 7, включенный по схеме потенциометра, источник питания 8.

В диэлектрический диск впрессовывают металлические шарики, диаметр которых равен толщине диска. Толщина диска должна быть равна диаметру металлических шариков. Расстояние между шариками минимально и обеспечивает изоляцию шариков друг от друга и минимизирует их взаимное влияние на заряды, располагающиеся на шариках.

Заряды создают на диэлектрическом диске 1 из непроводящего материала (например, тефлон). Диск 1 плавно поворачивают вокруг своей оси на любой заданный угол Θ. Диск установлен на изолированном основании 2, содержит металлические шарики 3. Металлический зонд 4 на изолированном штативе 5 представляет иглу длиной 10-12 мм и диаметром 2 мм. Вольтметр 6 В2-27, реостат 7 РСП-1-1, включенный по схеме потенциометра, источник питания 8 APS-1303 служат для создания заданного заряда на каждом шарике 3 диска 1. Реостат выполняет роль делителя напряжения так, что от источника питания на зонд подают положительное или отрицательное напряжение в зависимости от типа распределенного заряда, создаваемого на поверхности диска.

Создание распределенного заряда осуществляют по следующему алгоритму: подводят металлический зонд к первому шарику, касаясь острием зонда поверхности шарика, с помощью реостата устанавливают напряжение на зонде φ0 от источника питания. При этом заряд на шарике может быть как положительным, так и отрицательным. Затем поворачивают диск на угол Θ до касания зонда со следующим шариком. Измеряют и записывают угол поворота Θ. По формуле φ=φ0cosΘ вычисляют напряжение на зонде, реостатом устанавливают полученное значение напряжения на зонде и записывают его значение. Повторяют действия до тех пор, пока не будут заряжены все шарики диска.

Заряды на шариках определяют по формуле (5)

Q = C ϕ = 4 π ε 0 R ϕ = 4 π ε 0 R ϕ 0 cos Θ ,                (5)

где измеряемыми параметрами являются радиус шарика R, напряжение на зонде φ, угол поворота диска Θ, начальное напряжение на зонде φ0. Формулы (4) и (5) являются расчетными для создания распределенного заряда на поверхности диэлектрического диска, по периметру которого расположены металлические шарики.

Таким образом, для создания устройства и реализации способа его применения в диэлектрический диск по его периметру впрессовывают металлические шарики, диаметр которых равен толщине диска. Радиус диска превышает не менее чем в 10 раз диаметр шариков. Диск с шариками устанавливают на изолирующее основание и поворачивают вокруг своей оси на 360 градусов. Каждый шарик заряжают с помощью металлического зонда в виде заостренной иглы, поворачивая диск с шариками на угол Θ. Металлический зонд соединяют с источником питания через реостат. С помощью реостата последовательно изменяют напряжение на зонде φ, создают необходимый заряд на каждом шарике, а следовательно, и на всем диске. По формулам (4) и (5) рассчитывают заряды на шариках. В результате получают распределенный по периметру диэлектрического диска электрический заряд по закону, необходимому для создания электрического поля заданной конфигурации или демонстрации явлений электростатики.

Конкретный пример создания распределенного электрического заряда на поверхности диска и способ его применения. Вырезают из листа непроводящего материала круг 1 толщиной 1 мм (тефлон) радиусом 60 мм. Затем по окружности радиусом 55 мм сверлят отверстия диаметром 1 мм с допуском - 0.01 мм на расстоянии 0.5 мм друг от друга. В отверстия впрессовывают металлические шарики 3 (например, подшипниковые) диаметром 1 мм. Диск устанавливают на жестко закрепленную диэлектрическую подставку 2 с возможностью его вращения относительно оси, проходящей через его геометрический центр. К металлическим шарикам диэлектрического диска подводят жестко закрепленный на изолированном штативе металлический зонд 4. Зонд 4 представляет металлический стержень диаметром 0.5-0.8 мм и длиной 15 мм в виде заостренной иглы. Зонд соединяют с вольтметром В2-27 6, реостатом 7 РСП-1-1, включенным по схеме потенциометра, источником питания 8 APS-1303. Для создания заряда на шариках зонд 4 касается первого шарика 3 и на шарик подают напряжение от источника питания 8. Поворачивают диск на угол Θ до соприкосновения со следующим шариком 3. Записывают значение угла Θ. Рассчитывают напряжение на данном шарике по формуле (4) φ=φ0cosΘ. Устанавливают полученное значение напряжения с помощью реостата, записывают показания вольтметра и значения угла Θ. Процесс повторяют до тех пор, пока не будут заряжены все шарики диска. Величину заряда на каждом шарике рассчитывают по формуле (5). Если напряжение на первом шарике 3 установлено φ = 10 В, то заряд на первом шарике Q=Cφ=4πε00cosΘ=1.12 пКл. Значения зарядов на ряде некоторых других шариках диэлектрического диска приведены в таблице.

№ шарика Угол Θ, град Δφ, В Q, пКл
1 0 10 1.12
6 1.6 4.95 1.10
10 14 4.85 1.08
20 30 4.33 0.96
29 45 3.54 0.78
39 69 5.0 0.56
115 180 -10.0 -1.12

1. Устройство для создания зарядов на поверхности тел, содержащее металлический зонд, вольтметр, источник питания, заряжаемое тело, отличающееся тем, что диэлектрический диск с впрессованными по периметру металлическими шариками, диаметр которых равен толщине диска, расположен на изолированном основании, металлический зонд на изолированном штативе выполнен в виде заостренной иглы и соединен через вольтметр и реостат с источником питания.

2. Способ создания зарядов на поверхности тел, заключающийся в том, что тела заряжают посредством их соединения проводником с источником питания, отличающийся тем, что в диэлектрический диск впрессовывают металлические шарики, диск устанавливают на изолированном основании, поворачивая весь диск последовательно на угол Θ от 0 до 360 градусов до соприкосновения металлического зонда с каждым шариком, заряжают его и каждый последующий шарик, при этом изменяют на каждом шарике подаваемое на зонд напряжение с помощью реостата, записывают показания вольтметра и угла Θ, по формулам рассчитывают заряды на шариках и получают значения распределенных по периметру диэлектрического диска электрических зарядов по закону, необходимому для создания электрического поля заданной конфигурации и демонстрации явлений электростатики.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики. На противоположных сторонах подвижной муфты первыми концами шарнирно соединены две тяги.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к области образования и наглядных учебных пособий, в частности к наглядным пособиям для демонстрации принципа работы одиночного стержневого молниеотвода.

Изобретение относится к учебным приборам по физике. Малые листы электропроводящей бумаги создают сопротивления R/2, R, 2R и уложены на планшете.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по физике. На противоположных сторонах прямоугольного листа электропроводящей бумаги (ЭПБ) установлены два электрода прямоугольной формы.

Изобретение относится к области исследования электростатических полей в различных средах и условиях, преимущественно в области жидких углеводородных горючих в условиях их естественной конвекции.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики. Лист электропроводящей бумаги уложен на планшет.

Изобретение относится к учебным приборам по физике. Учебный прибор имеет штатив, немаркированный магнит, компас, подставку для магнитов, вольтметр, амперметр, миллиамперметр, источник питания учебный ВУ-4.

Изобретение относится к обучающим приспособлениям для демонстрации электромагнитных явлений. На одном конце плоского стержня закреплена катушка-моток, а на другом выполнено подвесное отверстие для подвеса стержня и магнит. Концы намоточного провода соединены с удлиняющими проводами. Свободные концы удлиняющих проводов снабжены штекерами. Катушка-моток снабжена охватывающим ее корпусом, снабженным диаметрально расположенными полуосями, каждая из которых соединена с одним из концов обмотки катушки. Каждая полуось вставлена в отверстие, выполненное в концевой зоне одной из ступеней соответствующего ступенчатого кронштейна. Другая ступень каждого кронштейна снабжена концевым прямоугольным хвостовиком, посредством которого кронштейны элементами крепления закреплены с разных сторон к боковым поверхностям стержня. Удлиняющие провода соединены с элементами крепления. На стержне выполнено центральное отверстие, равноудаленное как от центра полуосей, так и от центра подвесного отверстия, выполненного на конце стержня. Стержень снабжен вырезами с зацепами для укладки удлиняющих проводов. Нижний обрез ступенчатых кронштейнов и нижний обрез стержня находятся в одной горизонтальной плоскости. Техническим результатом изобретения является расширение демонстрируемых экспериментов для исследования явления электромагнитной индукции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к учебным пособиям по физике. Стержень с грузом установлен с возможностью совершать колебательные движения в вертикальной плоскости. Вал соединен с помощью стержня с грузом, и на него насажены колеса, которые имеют возможность совершать колебательные движения в горизонтальной плоскости. На направляющих закреплены ограничители колебания колес. Изобретение обеспечивает возможность моделирования сложного колебательного движения системы. 3 ил.

Изобретение относится к электродинамике и и может быть использовано для экспериментальной проверки эффекта возбуждения вихревого электрического поля при движении магнитного поля, создаваемого движением постоянного магнита. Технический результат состоит в обеспечении возможности проверки возбуждения униполярной индукции. Мостовая схема для проверки возбуждения униполярной индукции содержит соленоид, внутри которого движется намагниченный ферромагнетик, образующий вихревое электрическое поле вдоль траектории его движения. Схема содержит ферромагнитный тороид, четыре одинаковых катушки из проводника, включенные последовательно между собой и образующие мостовую схему, к одной диагонали которой подключен регулируемый источник постоянного тока, а другая диагональ мостовой схемы подключена к усилителю постоянного тока. Ферромагнитный тороид приводится во вращательное движение синхронным двигателем через прижимной ролик. Электропитание синхронного двигателя подается от многофазного генератора переменного тока с регулируемой частотой колебаний. Управление регулируемым источником постоянного тока и многофазным генератором по частоте переменного тока, а также измерение величин тока и частоты колебаний осуществляется с помощью компьютера. 3 ил.

Изобретение относится к стендам для лабораторных работ, применяемым при обучении студентов, изучающих дисциплину «Электротехнология». Автоматизированный тепловой пункт (устройство преобразования электрической энергии в тепловую), содержит параллельно соединенные между собой тэновый, электродный и вихревой подогреватели воды, отопительный прибор, бойлер со змеевиком, насос, термодатчики, щит управления, расходомер, систему трубопроводов, при этом в него введены электромагнитные клапаны, программируемый контроллер для управления и регулирования режимами нагрева, бойлер выполнен сообщающимся с атмосферой для осуществления процесса тепломассообмена, сборка всех элементов выполнена с использованием резьбовых соединений предусматривающее возможность введения в процесс новых элементов. Это позволяет уменьшить габариты устройства, а также упростить его обслуживание. 5 ил.

Изобретение относится к области образования и наглядных учебных пособий, в частности, к наглядным пособиям для демонстрации принципа работы одиночного тросового молниеотвода. Для повышения качества обучения за счет улучшения наглядности принципа работы и определения высоты одиночного тросового молниеотвода модель молниеотвода включает две вертикальные телескопические оси одинаковой высоты, вершины которых связаны горизонтальной нитью, а модель зоны защиты содержит две плоские грани и два полуконуса, вертикальные оси которых совпадают с осями телескопических стержней и находятся на расстоянии S друг от друга, а плоскости граней являются общими касательными к полуконусам и пересекаются по горизонтальной прямой, проходящей через вершины конусов. 1 ил.

Изобретение относится к физике магнитного поля, создаваемого магнитными системами, полюсы которых взаимно перемещаются. Технический результат состоит в исследовании распределения угловых скоростей вращающегося магнитного поля в различных сечениях магнитного зазора при взаимном перемещении магнитных полюсов относительно друг друга. Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов, в частности при их взаимном вращении с разной угловой скоростью и в различных направлениях без изменения расстояния между этими полюсами, состоит из пары тороидов, намагниченных на их плоских гранях и ориентированных друг к другу соосно с противоположными магнитными полюсами, которые механически связаны с двумя синхронными реверсируемыми двигателями с подключенными к ним двумя перестраиваемыми по частоте генераторами переменного тока. Одна или несколько прямоугольных рамок из тонкого проводника помещены в магнитный зазор между магнитными полюсами одной из сторон прямоугольной рамки так, что проводники этой стороны ортогональны вектору магнитной индукции в магнитном зазоре, а также ортогональны вектору угловой скорости взаимно вращающихся намагниченных тороидов. Выводы рамок включены последовательно к регистрирующему возникающую э.д.с. в этих частях проводников рамок измерительному прибору, например вольтметру постоянного тока. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в возможности выявления физической структуры и поведения магнитного поля между магнитными полюсами, один из которых вращается относительно другого. Устройство содержит ротор и статор, выполненные в виде отрезков концентрически расположенных цилиндров из ферромагнетика. Обмотка подмагничивания ротора подключена к регулируемому источнику постоянного тока, закреплена на статоре бесконтактно к расположенной в ней части магнитопровода ротора. В тороидальном магнитном зазоре размещена часть рабочей обмотки в виде рамки из проводника, механически связанной с управляемым приводом ее перемещения внутри магнитного зазора с измерением величины перемещения. Выводы рамки подключены к входу усилителя постоянного тока. Замыкание магнитной цепи «ротор-статор» осуществлено с помощью цилиндрического элемента ротора на его противоположном конце относительно обмотки подмагничивания ротора, близко расположенного к трубчатому магнитопроводу статора, являющемуся корпусом устройства, в котором через подшипниковую пару закреплена ось вращения ротора, механически связанная с синхронным двигателем. На его электрические входы подано переменное напряжение от перестраиваемого по частоте генератора переменного тока. Информационные выходы измерителя перемещения рамки, регулируемого источника постоянного тока и перестраиваемого по частоте генератора переменного тока, а также выход усилителя постоянного тока подключены к входам устройства обработки и отображения информации. 3 ил.
Наверх