ФАРХАД ИЛЬЯСОВ | публикации |
Главная | Книги | Статьи | Контакты |
МЕТА-ФИЗИКА - оглавление
Ильясов Ф. Н.1 Принцип работы электрофора, электрофорной машины. М.: ИЦ Орион. 2020, январь. (Препринт)
Iliassov F.N. 2 The principle of operation of electrophorus, electrophore machine. Moscow: IC Orion. 2020, January. (Preprint)
DOI: 10.13140/RG.2.2.24832.97281
Аннотация В статье описывается принцип работы ручного и механического электрофора, электрофорной машины, с точки зрения унитарной теории электричества. Описаны эксперименты Бенджамина Франклина и Франца Эпинуса, показывающие принцип действия электрофора. Дано объяснение работы прибора электрофора Алессандро Вольта с точки зрения унитарной теории электричества. Приведено объяснение работы механического электрофорного устройства с внешним источником электроэнергии и «прокачивающим» внутреннюю электроэнергию. Ключевые слова: электрофорус; электрофор; электрофорная машина
Abstract The article describes the principle of operation of a manual and mechanical electrophore, an electrophore machine, from the point of view of the unitary theory of electricity. The experiments of Benjamin Franklin and Franz Epinus, showing the principle of the electrophore, are described. An explanation of the operation of the electrophore device by Alessandro Volta from the point of view of the unitary theory of electricity is given. An explanation of the operation of a mechanical electrophore device with an external source of electricity and "pumping" internal electricity is given. Key words: electrophorus; Wimshurst machine; electrophore; influence machine
1. Введение
Унитарная, квантовая, теория электричества Бенджамина Франклина изложена, например: [Франклин, 1956; Эпинус, 1951; Ильясов, 2019]. В теории двух электричеств, дуальной (дуалистической) теории электричества, в двухдисковом электрофоре электроэнергия все время отводится от верхнего диска-накопителя, но не указывается, откуда она берется [Баранов, 2011; Крыжановский, 1992]. Получается, в рамках дуальной теории нет убедительного ответа на вопрос: откуда же снова и снова берется энергия. Например, в качестве источника энергии указывается механическая работа, совершаемая экспериментатором по подъему верхнего диска в двухдисковом электрофоре, и работа экспериментатора, совершаемая при вращении диска в электрофорной машине. Хотя нет объяснения тому, как именно в данном случае механическая энергия преобразуется в электрическую. Сам принцип «работы» электрофора, как перемещение статического электричества с тела на тело, был открыт и описан Франклином в 1775 г [Франклин, 1956: 146-148]. Вкратце изложим положения его унитарной (квантовой) теории электричества, необходимые для понимания проведенных им экспериментов. Электрическая субстанция, по Франклину, состоит из мельчайших порций (квантов) электрической энергии. Электрический ток есть движение электро-квантов из того места, где их больше, в то место, где их меньше. Так же, как это происходит с квантами тепловой (инфракрасной) энергии. Каждое тело содержит «нормальное» для данного вещества количество электро-квантов, электроэнергии. Если электро-квантов больше нормального – тело является избыточно заряженным. Если электро-квантов меньше нормального – тело является дефицитно заряженным. Избыточно или дефицитно заряженное тело называется электризованным. Одинаково электризованные тела отталкиваются полями электро-квантов, которые на них находятся. Т.е. отталкиваются не тела, а электро-кванты. Тело, на котором электро-квантов меньше, стремится притянуть электро-кванты, с тела, на котором их больше. За счет этого тела притягиваются. Земля и человеческое тело содержит определенное, «нормальное для их вещества», количество электро-квантов на единицу объема, т.е. они являются нормально заряженными телами. Об этом, в частности, свидетельствуют показания электрометра – на прикосновения к руке или земле он не реагирует, т.е. показывает, что эти тела нормально заряжены. Если бы человеческое тело и Земля были электризованы, то они постоянно обменивалось бы электроэнергий. Соответственно тело и Земля, как нормально заряженные тела, при соприкосновении с дефицитно заряженными телами, передают им количество электро-квантов, необходимое для того, чтобы это тело стало нормально заряженным.
Статическое электричество – это электро-кванты, находящиеся на телах, перемещающиеся на телах, между телами, без воздействия поля электро-квантов источников питания, т.е. динамического (текущего) электричества. Электрофор (англ. electrophorus, electrophore) – это конструкция, посредством которой, собирается и накапливается электроэнергия, за счет перемещения статического электричества на различных телах. Примем следующие термины:
Процесс работы электрофора, основы которого изложены Бенджамином Франклином в 1755 г., состоит из следующих шагов: 1) Поляризация электро-квантов на теле-накопителе («первичном проводнике»). «Наэлектризуйте стеклянную трубку, - пишет Франклин, - и подведите ее поперек [не касаясь] к первичному проводнику с его конца, противоположного тому, на котором висят нити, на расстояние в пять-шесть дюймов. Подержите ее в таком положении несколько секунд, и нити пучка разойдутся. Уберите трубку, и нити сомкнутся» [Франклин, 1956: 146].
2) Зарядка тела-накопителя до избыточной заряженности Если вновь поднести стеклянную трубку-поляризатор к нормально заряженному телу-накопителю и дотронуться рукой до его ближнего края, который стал дефицитно заряженным, то электро-кванты с руки перейдут на тело-накопитель. Если теперь удалить палочку от тела, то оно останется избыточно заряженным. Нити вновь разойдутся – но теперь они будут отталкиваться как избыточно заряженные тела. 3) Разрядка тела-накопителя до степени нормальной заряженности Если вновь коснуться тела-накопителя рукой, его избыточное электричество перейдет обратно в руку и тело-накопитель снова станет нормально заряженным. Франц Эспинус (нем. Franz Aepinus) придерживался унитарной теории электричества Франклина. На рис. 1 приведен рисунок, иллюстрирующий опыт Эспинуса (1759), показывающий феномен электрофора, когда к телу-накопителю подносится избыточно заряженное тело-поляризатор.
Рис. 1. Демонстрация принципа работы электрофора в экспериментах Франца Эспинуса *
* Рис. 1 взят из: [Лакуръ и др., 1908: 240].
На рис. 1 знак (+) обозначает избыточную заряженность, а знак (–) – дефицитную заряженность (так было изначально предложено Франклином). При приближении избыточно заряженного тела-поляризатора «А», электро-кванты нормально заряженного тела-накопителя отталкиваются на противоположный конец «С», он становится избыточно заряженным, а конец B становится дефицитно заряженным.
Алессандро Вольта усовершенствовал конструкцию электрофора. На рис. 2 приведен более поздний вид электрофора. Снизу находится тело-поляризатор, сверху тело-накопитель (с изолированной ручкой для подъема и опускания). Справа на теле-накопителе ручка-шарик для снятия избыточного электричества.
Рис. 2. Внешний вид прибора электрофора*
* Рис. 2 взят из: [Hare, 1840: 49].
По сути, электрофор Вольта представляет собой конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком, см. рис. 2. Нижняя обкладка все время остается дефицитно заряженной, а верхняя, изначально нормально заряженная, в ходе процедур может становиться избыточно или дефицитно заряженной.
1-й этап. Поляризация электро-квантов на теле-поляризаторе Вначале диск-поляризатор (внизу), состоящий из акрила (тефлона, пластика), натирается шерстью (или, например, полиэтиленовым пакетом), вследствие чего он становится дефицитно заряженным (см. рис. 3).
Рис. 3. На первом шаге нижний диск-поляризатор натирается шерстью
2-й этап. Поляризация нормально заряженного диска-накопителя Нормально заряженный верхний диск-накопитель преподносится к нижнему диску-поляризатору. В результате взаимодействия полей электро-квантов дефицитно заряженного нижнего диска-поляризатора и нормально заряженного верхнего диска-накопителя, электро-кванты диска-накопителя притягиваются к границам тел. Верхняя часть верхнего диска-накопителя становится дефицитно заряженной, см. рис. 4. 3-й этап. Подзарядка нормально заряженного диска-накопителя до избыточной заряженности. К верхней, дефицитно заряженной части диска-накопителя (см. рис. 5), преподносится палец (или земля). В результате верхняя часть этого диска дополнительно заряжается. Таким образом, общее количество электро-квантов на диске-накопителе увеличивается и становится больше нормального. Диск-накопитель становится избыточно заряженным, см. рис. 5. Рис. 4. При сближении дисков, электро-кванты поляризованного верхнего
Рис. 5. Диск-накопитель подзаряжается от внешнего источника – заземления, 4-й этап. Разрядка, съем избыточных электро-квантов с диска-накопителя, разрядка его до нормальной заряженности
После того, как диск-накопитель отводится от диска-поляризатора, диск-накопитель остается избыточно заряженным, и с него можно снимать избыточное электричество, преподнеся к верхнему диску провод, соединенный с обкладкой конденсатора, см. рис. 6. При подключении к искровому разряднику, между его шарами пробегает искра.
Рис. 6. К избыточно заряженному диску-накопителю подключается искровой разрядник
Диск-накопитель отдает избыточную энергию конденсатору, и вновь становится нормально заряженным, его можно вновь поляризовать, преподнеся к диску-поляризатору.
4. Виды электрофорных машин Электрофорные машины относятся к электростатическим генераторам – устройствам, создающим поток электроэнергии путем «механического» переноса электро-квантов с одного тела на другое.
Далее, для простоты изложения, описана работа электрофорной машины с неподвижным диском – дефицитно заряженным статором-поляризатором и вращающимся диском – ротором-накопителем, на котором находится три сектора. На рис.7 приведена схема машины с тремя секторами (полосками, сегментами) из алюминиевой фольги, прикрепленными к вращающемуся диску (ротору) из диэлектрика. Количество секторов соответствует трем основным циклам работы электрофора, описанным выше.
Рис. 7. Схема работы электрофорной машины
Земля, как указывалось выше, является нормально заряженным телом. При контакте избыточно заряженного тела с землей, избыточные электро-кванты переходят на землю. При контакте земли с дефицитно заряженным телом, часть электро-квантов, в количестве необходимом для превращения тела в нормально заряженное, с земли переходят на это тело.
В настоящее время наиболее распространенной конструкцией механического электрофорного устройства являются модификации «машины влияния» Джеймса Уимсхерста (Уимшерста, Вимшурста) – James Wimshurst influence machine, изобретенная в 1883 г.
Рис. 8. Схема работы электрофорной машины Уимсхерста (Вимшурста) * Схема машины Уимшерста взята из: [Kennedy, 1903].
Как было показано выше в экспериментах Франклина, при приближении к нормально заряженному телу избыточно заряженного тела, электро-кванты нормально заряженного тела отталкиваются в дальнюю его часть.
Баранов М. И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 5: Электротехника // Електротехнiка i Електромеханiка. 2011. No. 6. С. 3-14. Ильясов Ф. Н. Кванты электрической энергии – о концепции электричества Бенджамина Франклина. М.: ИЦ Орион. 2019, ноябрь. (Препринт) Лакуръ П. Аппель Я. Историческая физика. Одесса: Бланкоиздательство М. Шпенцера. 1908. Крыжановский Л. Н. Электростатическая индукция и электрофор в опытах XVIII в. // Электричество. 1992. No, 4. С. 60-62. (http://old-journals.ru/article/a-9-3.html: 2020-01-06) Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством. М.: Изд-во АН СССР. 1956. Эпинус Ф. У. Τ. Теория электричества и магнетизма. М.: Изд-во АНСССР. 1951. De Queiroz, Antonio Carlos M. Electrostatic Machines. 1996-2018. http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html (2020-01-14) Hare, Robert. A Compendium of the Course of Chemical Instruction in the Medical Department of the University of Pennsylvania. 4th Ed. Part 1. J.G. Auner, Philadelphia. 1840. Jones, Tomas B. Electrophorus and Accessories. 2005. Kennedy, Rankin. Electrical Installations: Of Electric Light, Power, Traction and Industrial Electrical Machinery. Vol V. London: Blackwood. 1903. Thompson, Sylvanus P. Elementary lessons in electricity and magnetism. MacMillan & Co., London, 1898. http://en.bookfi.net/book/562633 (2020-01-14) 1 Фархад Назипович Ильясов. Исследовательский центр Орион. E-mail: iliassov.farkhad@yahoo.com 2 Farkhad Nazipovich Iliassov. Orion Research Center. E-mail: iliassov.farkhad@yahoo.com
|
|