Июн 222018
 

Приветствую, дорогие друзья. На связи Тимур Гаранин. На моём канале есть ролик, посвященный электростатической индукции и работе электрофорной машины.

Один пользователь в комментариях под этим роликом задал вопрос,  откуда берется начальный заряд, для того чтобы электрофорная машина запустила процесс разделения зарядов. Я решил ему ответить, объяснил, что сперва нас интересует не столько заряд сколько разность потенциалов между секторами. В машине отсутствует механизм уравновешивания потенциалов,  на практике невозможно создать условий, когда у нас на секторах одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, более того невозможно создать условия, когда ёмкость всех секторов является одинаковой.

И не будем забывать про то, что носители заряда являются дискретными,  и кроме того распределение заряда по поверхности проводника неравномерно.

Дал этому человеку ссылку на плейлист «электростатика» на моём втором канале, где даны исчерпывающие объяснения и демонстрации электростатической индукции, распределения заряда по поверхности проводника, распределение потенциала, и так дальше. Короче, дал человеку достаточно материала, чтобы он гарантированно разобрался, как происходит умножение  разности потенциалов в машине Уимсхёрста.

И, что Вы думаете, он мне ответил? Он зачем-то написал мне, что он физик-теоретик, которому военный НИИ предлагал 100 млн за работу. А потом и вовсе назвал меня идиотом и послал к чёрту.

В общем, персонаж оказался сказочный. Но зато у меня возникла идея сделать вот этот ролик, в котором я объясню, откуда берётся начальная разность потенциалов между секторами, и почему машину Уимсхёрста не нужно специально электризовать перед работой.

Начнем с того, что количество положительных и отрицательных зарядов на секторах всегда будет разным. В реальных условиях невозможно сделать так, чтобы количество элементарных зарядов на секторах было одинаковым. Но кроме того, есть еще такая вещь как дискретность носителя заряда. Электрон не может поделиться пополам. Это означает, что когда мы начнём вращать диски, размыкать и замыкать сектора, электроны обязательно начнут перескакивать из одних секторов в другие сектора, тем самым увеличивая неравенство заряда.

Это очевидная причина, и она не единственная. Нас в конечном счете интересует не заряд на секторах, а разность потенциалов между ними. А потенциал объекта относительно системы измерения зависит от ёмкости этого объекта. Представьте себе что мы заряжаем зарядом одна миллионная Кулона относительно Земли шар диаметром 1м, и в таком случае его потенциал относительно Земли будет весьма невелик. А теперь мы заряжаем этим же зарядом шарик диаметром 1 см. Его потенциал относительно Земли будет очень высок.

Либо мы просто можем шар диаметром 1М сжать до диаметра 1 см, в результате чего этот шарик станет гораздо более высоковольтным.  Подробнее про зависимость потенциала и напряжения от величины емкости Я уже рассказывал о своем курсе электричество, и даже здесь на YouTube есть ролик посвященный этой теме.

Так вот в электрофорной машине мало того, что у нас сектора изначально имеют разную площадь поверхности, замыкая и размыкая сектора диагональным проводником, мы всё время изменяем емкость системы секторов. Это постоянно изменяет потенциал и заставляет заряды перетекать в проводниках под действием сил электрического поля.

Вспомним ещё про одну вещь. Распределение заряда по поверхности проводника. Если бы сектора были шарообразные, то заряд распределялся бы равномерно по всей поверхности секторов. Но сектора то в реальности плоские, а это означает что весь заряд собирается по краям секторов. Если кто-то не понимает как это работает, советую посмотреть соответствующие ролики в плейлисте электростатика.

Так вот, просто проводя контактом диагонального проводника от края к центру и от центра к краю,  мы уже заставляем заряды перетекать из сектора или в сектор.

 

Но даже если представить, что наш прибор создан какими-то непостижимым высшими силами,  и у него абсолютно одинаковые сектора, с абсолютно одинаковой емкостью и соотношением элементарных зарядов,  диагональные проводники не имеют ёмкости вообще,  и распределение заряда по сектору каким-то образом уравновешенно,  то всё равно, при первом же вращении дисков,  машина начнет умножать разность потенциалов. Но откуда же взялась эта разность потенциалов?

Наш прибор не находится в абсолютной пустоте. Он находится в окружении других объектов, которые имеют свою емкость и свой заряд. Даже банально приближение человека к машине приведет к перераспределению заряда в проводниках под действием поля человека. И как только этот человек начнёт вращать ручку, первое же прохождение сектора  приведёт к умножению этого неравенства.

А дальше разность потенциалов будет умножаться в геометрической прогрессии. Как вы помните из предыдущего ролика, на каждый сектор на первом диске своим полем воздействует сразу несколько секторов на втором диске. Поэтому разность потенциалов растет не линейно, а в геометрической прогрессии.

 

Давайте сделаем выводы из всего вышесказанного:

1. Поддерживать равенство потенциалов между секторами в электрофорной машине в реальных условиях невозможно

2.  Благодаря тому, что заряд в проводниках начинает перемещаться под действием малейшей разности потенциалов, машина Уимсхёрста не нуждается в том, чтобы ее предварительно электризовали. В этом её большое преимущество перед машиной Бонетти, которая металлических секторов не содержит и нуждается в предварительной электризации.

 

На этом я закругляюсь. Надеюсь вам было интересно, и я смог донести, чем обусловлено начальное разделение зарядов в электрофорной машине.

Пишите в комментариях свои вопросы и предложения, всем удачи!

 Ответить