X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
АННОТАЦИЯ
Проект посвящен исследованию принципов работы и перспектив дальнейшего развития устройства электростатических двигателей. Считаем, что электростатические двигатели, приводящиеся в работу электрическим ветром менее эффективны в космосе, так как для их работы требуется восполняемый запас газов.
Ключевые слова: электростатика, электростатические двигатели, электростатический маятник, колесо Франклина, лабораторный эксперимент.
Объект исследования в проекте:электростатика.
Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.
Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.
Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.
Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.
Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Интернет источник
https://samelectrik.ru/zakon-kulona-prostymi-slovami.html
Интернет источник
https://dspace.kpfu.ru/xmlui/bitstream/handle/net/130799/F_fmopip2017_98_101.pdf?sequence=-1
Интернет источник
https://www.youtube.com/watch?v=XqTLp7RxcbE
Научно-исследовательская работа. Физика
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Яроцкий Фёдор Дмитриевич
Краснодарский край, город Армавир
МБУ ДО ЦНТТ 7г класс
Научный руководитель: Шишкин Евгений Маленович, почётный работник общего образования РФ, педагог доп. образования высшей категории МБУ ДО ЦНТТ г. Армавира
ВВЕДЕНИЕ
«Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство» - говорил в свое время Циолковский. Для освоения космического пространства появляется необходимость использовать двигатели, способные работать в условиях глубокого вакуума, надежные, экономичные и ремонт пригодные, использующие энергию, взятую в космосе.
Под эти характеристики подходит электростатический двигатель, принцип действия которого основан на использовании Кулоновских сил, перерабатывающий энергию космических излучений. В своей работе мы проверим способность одного из таких двигателей работать в вакууме и сравним его с похожим двигателем, но работающем на реактивной тяге ионного ветра.
Объект исследования в проекте:электростатика.
Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.
Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.
Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.
Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.
Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.
1. Отбор электростатических двигателей принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона от двигателей, работающих на принципе ионизации газов
Рассматривая устройство электростатических двигателей, способных работать в космосе при глубоком вакууме возникла необходимость отбора двигателей, принцип действия которых основан на действии только сил Кулона [1] от двигателей, работающих по принципу ионизации газов. Для этого мы провели серию опытов, в которых под стеклянный купол с отрицательным давлением помещался электростатический маятник [2], как ярко выраженный образец электростатического двигателя, принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона и колесо Франклина [3], как ярко выраженный двигатель, работающий на реактивной тяге электрического ветра.
Оборудование для опытов:
Вакуумная тарелка, см. приложение 1, рис. 1.
Лазерный тахометр DT-2236C, см. приложение 1, рис. 2.
Маятник с параметрами L=130 мм, А=23 мм, D=16 мм, m = 2,1 грамм.
Колесо Франклина, d=100 мм.
Вакуумный насос VN-C4, см. приложение 1, рис. 3.
Вакуумметр ТВ5, класс точности 1,5. См. приложение 1, рис. 4.
Блок высокого напряжения Разряд-1, см. приложение 2, рис. 5.
Триггерный блок управления вакуумным насосом с блоком питания, см. приложение 3, рис. 6.
Опыт №1, схема опыта представлена фотографией на рис. 7 в приложении 4.
Цель опыта: доказать, что отрицательное давление не влияет на работоспособность электростатического маятника.
Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления не влияет на частоту колебания электростатического маятника. Результаты измерения сведены в таблицу 1:
Табл. 1. Влияние отрицательного давления на
частоту колебания электростатического маятника
|
№ п.п |
Атмосферное давление |
-20 кРа |
-40 кРа |
-60 кРа |
-80 кРа |
|
Колебаний в минуту |
157 |
157 |
157 |
157 |
157 |
|
Частота в герцах |
2,62 |
2,62 |
2,62 |
2,62 |
2,62 |
Анализируя табл. 1 можно сделать вывод, что снижение давления, а, следовательно, и концентрации ионов газа не оказывает влияние на частоту колебаний электростатического маятника.
Опыт №2, схема опыта представлена фотографией на рис. 8 в приложении 5.
Цель опыта: доказать, что отрицательное давление влияет на работоспособность колеса Франклина.
Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления влияет на частоту вращения колеса Франклина. Результаты измерения сведены в таблицу 2:
Табл. 2. Влияние отрицательного давления на
частоту вращения колеса Франклина.
|
№ п.п |
Атмосферное давление |
-20 кРа |
-40 кРа |
-60 кРа |
-80 кРа |
|
Обороты в минуту |
153 |
150,0 |
100,5 |
69,5 |
0 |
|
Частота в герцах |
2,6 |
2,5 |
1.7 |
1,16 |
0 |
Анализируя табл. 2 можно заметить, что уже при давлении в -80 кРа наше колесо Франклина прекращает своё вращение.
Анализируя совместно табл. 1 и табл. 2 можно утверждать, что, помещая исследуемый двигатель в вакуум, удаётся определить, какие силы заложены в его работу, силы Кулона или работа возможна только при ионизации газов.
2. Влияние формы электростатического поля на работу электростатического маятника
Для определения влияния формы поля на работу электростатического маятника мы провели физический опыт, в котором маятник сначала колебался в вакууме между пластинами, площадь которых больше площади поперечного сечения шара, потом равных площади поперечного сечению шара, а впоследствии - меньше площади поперечного сечения шара. Схема опыта представлена фотографией на рис 7, приложение 4.
Цель опыта: экспериментально определить зависимость частоты колебания электростатического маятника от площади пластин.
Гипотеза: отношение площади пластин к площади поперечного сечения рабочего тела влияет на частоту колебания электростатического маятника.
Результаты наблюдения за колебаниями сведены в таблицу 3.
Табл. 3. Результаты наблюдения за колебаниями электростатического маятника между пластинами с различной площади
|
Отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара маятника |
Наблюдение за колебаниями |
|
Больше |
Колебания устойчивые |
|
Равное |
Колебания малоустойчивые |
|
Меньше |
Колебания не устойчивые |
Анализируя табл. 3 можно заметить, что отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара определяет равномерность поля, в котором происходят колебания электростатического маятника. Колебания маятника устойчивы только в равномерном электростатическом поле.
3. Определение коэффициента полезного действия электростатического маятника как двигателя способного работать в глубоком вакууме
Схема работы электростатического маятника представлена на рисунке 9:
Рис. 9. Электростатический маятник.
На схеме работы электростатического маятника (рис. 8) применены следующие сокращения: FТяж – сила тяжести; Fуп – сила упругости подвеса; Fрав – равнодействующая сила между FТяж и Fуп; L– высота подвеса рабочего тела; R – радиус рабочего тела; -Ammи +Amm – соответственно отрицательная и положительная амплитуды перемещения рабочего тела; ?h – изменение высоты относительно линии горизонта проходящей через центр рабочего тела находящегося в равновесии при его движении от -Ammк +Amm.
КПД подвеса электростатического маятника можно определить как отношение механической мощности затрачиваемой на совершение механической работы к электрической мощности , затрачиваемой на заряд пластин и рабочего тела:
; (1)
Электрическую мощность , затрачиваемую на заряд пластин и рабочего тела, определим как произведение напряжения U подводимого к пластинам на ток I, протекающий по цепи:
; (2)
Механическую мощность , затрачиваемую на перемещение рабочего тела, определим как отношение механической работы за время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной :
(3)
Механическую работу определим как произведение заряда рабочего тела , на напряжение, подводимое к пластинам U:
;(4)
Определим заряд рабочего тела как произведение электрической ёмкости рабочего тела C на электрический потенциал пластин в точке равновесия:
;(5)
Определим электрический потенциал пластин , относительно точки равновесия как половину напряжения подводимого к пластинам:
;(6)
Определим электрическую ёмкость рабочего тела как произведение диэлектрической проницаемости вакуума на радиус рабочего тела R:
; (7)
Подставив в выражение (4) выражение (5) будем иметь:
= ; (8)
Подставив в выражение (8) выражение (6) будем иметь:
; (9)
Подставив в выражение (9) выражение (7) будем иметь:
; (10)
Подставив в выражение (3) выражение (10) будем иметь:
;(11)
Время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной t соответствует половине периода колебания T – время движения от одной пластины к другой тогда:
; (12)
Подставив в выражение (11) выражение (12) будем иметь:
; (13)
Учитывая, что отношение соответствует частоте колебаний