Автор: Сотников Степан, Таипов Алдияр
Hаучный проект на тему «Исследование параметров, влияющих на эффективность самодельной электрофорной машины».
Авторы: ученики 9 класс гимназии 132 г.Алматы Сотников Степан, Таипов Алдияр
В данном проекте объектом исследования является устройство и принцип действия электростатического генератора (ЭСГ). Все электростатические генераторы предназначены для генерирования высокого напряжения, работают на явлении электростатической индукции — это перераспределение зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля. В результате чего возникает наведенное (индуцированное) электростатическое поле. Электрические заряды накапливаются на полюсах машины и возникает высокая разность потенциалов.
Объект исследования — устройство и принцип действия электростатического генератора. Цель проекта: сделать собственную модель электрофорной машины и определить параметры, влияющие на эффективность её работы.
Рассмотрев историю создания электростатических генераторов, изучив различные устройства и типы ЭСГ, принципы их работы, я остановился на генераторе Ван де Граафа, в котором была успешно реализована идея передачи зарядов с помощью бесконечной изоляционной ленты.
В школе это устройство заменяется генератором Вишмурста или просто так называемой электрофорной машиной (ЭФМ).
Актуальность нашего исследования заключается в том, что ЭФМ является одним из самых интересных приборов в школьном кабинете физики, служит для получения высокого напряжения в несколько десятков кВ и используется при проведении различных опытов по электростатике.
Предмет исследования в данном проекте – определение параметров, влияющих на эффективность самодельной ЭФМ. В процессе работы над данным проектом, мы выяснили, что электрические заряды в ЭФМ разделяются не за счет трения, а за счет электростатической индукции.
Мы подробно разобрали устройство и работу школьной ЭФМ, провели несколько интересных экспериментов с ним, узнали, что
1. длина искры между разрядниками тем больше, чем меньше влажность воздуха в кабинете;
2. при высоком напряжении от 30 кВ сила тока в ЭФМ мала.
Мы наблюдали: вращение гильзы между разрядниками; зарядку электрометра от ЭФМ; влияние человеческого тела на движение гильзы, заряженной методом индукции; визуализацию силовых линий поля с помощью султанчиков.
Для достижения цели проекта мы рассмотрели разные виды таких машин, история создания которых началась с машины Тёплера в XIX веке. Проведя обзор современной информации по данному вопросу, мы поняли, что простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов. Мы сделали подобный генератор сами из подручных средств — алюминиевой банки, пластиковой бутылки, компакт-диска, карандашей, трубок, картона. Этапы работы над изготовлением самодельной ЭФМ включали
1. Создание чертежа;
2. Изготовление основных частей;
3. Сборку
В качестве гипотезы исследования мы взяли предположение, что величина статического заряда q, накопленного на металлической сфере, прямо пропорциональна частоте вращения вала ν нашей моделиПроведя эксперименты со своей моделью и после обработки результатов наших исследований, как видно из графика, мы получили подтверждение своей гипотезы.
Новизна проекта заключается в том, что исследование параметров, влияющих на эффективность работы ЭСГ, впервые рассматривается на модели собственного изготовления. А также в процессе работы над проектом мы усовершенствовали свою первоначальную модель, заменив ремень и ручку вращения вала, тем самым уменьшая погрешности в наших экспериментах.Работу по нашему проекту можно продолжать в следующем направлении:
1. далее совершенствовать нашу модель, используя новые материалы и новые схемы сборки;
2. определить бо́льшее количество физических величин, влияющих на эффективность устройства;
3. получить новые зависимости и новые графики.
Практическая значимость данного проекта в том, что материалы проекта и саму модель можно использовать при обучении ученикам и студентам, учителям и преподавателям на занятиях физики в школе и в ВУЗах, колледжах, в работе творческих кружков. Также можно использовать на выставках технических достижений учащихся, в качестве развивающей техническое творчество самодельной установки или детской игрушки при соблюдении мер безопасности. Лично я получил закрепил свои знания и получил умения и навыки собирать экспериментальную установку.
Цель проекта достигнута. Мы спроектировали и собрали собственную модель электрофорной машины, а также при исследовании её работы определили параметры, влияющие на эффективность её работы.
Для достижения цели проекта мы использовали следующие исследовательские методы: эксперимент, моделирование, анализ и синтез.
Для проверки гипотезы проведены эксперименты и проанализированы их результаты.
Построена кривая зависимости частоты вращения рукоятки ЭФМ от накопленного статического заряда.