XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование вращения тел в электрическом поле

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Голуб М.М. 1

---

1ГОБОУ МО "СОШ № 289"

Субботина Е.В. 1

---

1ГОБОУ МО "СОШ № 289"

Работа в формате PDF

786.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

А вы поверите в электродвигатель, который сделан почти полностью из пластика? Что может работать на мощности, передаваемой по воздуху? И «тащить» бесплатное электричество прямо из электрического поля Земли? Рассмотрим одну занимательную статью из журнала «Popular Science» за апрель 1971 года. d

Эти замечательные машины сегодня практически неизвестны. И все же первый в мире электродвигатель был электростатическим. Он был изобретен в 1748 году Бенджамином Франклином. В 1870 году немецкий физик Й.К. Поггендорф построил такой простой двигатель. Весь мотор представлял собой пластиковый диск и два электрода. Но оба они так и не вызвали должного внимания. (Приложение 1)

И тут появляется Олег Ефименко. Родившийся в России физик посещал занятия в Геттингенском университета во второй половине 40-х, где профессор Р.У.Пол, демонстрировал две металлические пластины квадратной формы, закрепленные на конце шеста. Он высунул устройство на улицу из окна и перевернул его на 180 градусов. Гальванометр, прикрепленный к пластинам, резко дернулся.

«Я никогда не мог забыть эту демонстрацию», - говорил после Ефименко. «И мне было интересно, почему, если в воздухе есть электричество, его нельзя использовать, чтобы зажечь лампочку или что-то в этом роде».

А затем Ефименко и его аспирант Генри Фишбаха-Назарио разрабатывал и усовершенствовал свои двигатели. (Приложение 2)

Важнейшим этапом в развитии промышленного производства явилось изобретение и применение электрических двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую [1]. Среди огромного множества электродвигателей выделяют особые устройства, интерес к работе которых не иссяк и по сей день. Такие двигатели называются электростатическими. В основе работы электростатического двигателя лежит принцип вращения тела в постоянном электрическом поле. Причем, как выяснилось в процессе исследования, вращаются в электростатическом поле, как диэлектрики, так и проводники.

Меня заинтересовал вопрос вращения диэлектрических тел в электрическом поле. Изучение данных процессов даст возможность разработать устройство преобразования энергии, в котором используется постоянное электрическое поле. В этом я вижу актуальность моего исследования.

Объект исследования: процесс воздействия электрического поля на находящиеся в нем тела.

Предмет исследования: явление вращения тел из диэлектрика в электрическом поле.

Цель работы: исследовать явления вращения тел в электрическом поле и возможность применения данного явления на практике.

Задачи:

1. Изучить опубликованную литературу по вопросу вращения тел в электрическом поле

2. Исследовать вращение тел в лабораторной установке

3. Провести экспериментальное исследование скорости вращения тел в электрическом поле

4. Исследовать влияние формы тела на скорость вращения тела

5. Исследовать влияние массы тела на скорость вращения тела

6. Исследование замены поверхности тела другим составом

Методы исследования:

Теоретические – анализ научной литературы по теме исследования, моделирование процесса вращения тел в электрическом поле движущихся зарядов, проектирование экспериментально установки для демонстрации данного явления, обобщение сведений по рассматриваемым вопросам.

Эмпирические – конструирование экспериментальной установки, демонстрационный эксперимент, наблюдение.

Новизна и практическая значимость исследования – обобщены и систематизированы сведения о новых физических явлениях: вращение тел в электрическом поле; изготовлена экспериментальная установка для демонстрации явления вращения тел в электрическом поле.

Результаты исследования могут быть использованы на уроках физики при изучении электростатики, практически реализованы при создании моделей электростатического двигателя и его модификаций.

Гипотеза: Образование диполей на поверхности тела.

Мы задались целью провести такие эксперименты, которые позволили бы не только дать ответ, что происходит «на самом деле», но и понять причины столь противоречивых результатов.

2. Основная часть

1. Источник механической энергии

1. 1. Понятие электростатического поля

Электростатическое поле – электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними. Электростатическое поле характеризуется напряженностью электрического поля  , которая является его силовой характеристикой. Напряженность электростатического поля показывает, с какой силой электростатическое поле действует на единичный положительный электрический заряд, помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.

Электростатическое поле является постоянным, если его напряженность не изменяется с течением времени. Стационарные электростатические поля создаются неподвижными электрическими зарядами.

1.2. Вращение диэлектрического тела (эффект Герца-Квинке)

В 1881 году Генрих Герц обнаружил явление вращения диэлектрических тел в электрическом поле. Спустя 15 лет данный эффект был подробно описан соотечественником Герца Георгом-Германом Квинке [2]. В опытах Квинке шар, изготовленный из твердого диэлектрика, подвешенный на тонкой нити, между параллельными металлическими пластинками, поворачивался, когда к пластинам прикладывали высокое постоянное напряжение. Однако, ни Герц, ни Квинке не смогли объяснить эти странные повороты. Явление было забыто почти на 60 лет и «открыто» вновь японским физиком Сумото в 1955 году. Но и он не проявил особого интереса к этому эффекту, получившему название эффекта Герца-Квинке. Зато на этот эффект обратили внимание изобретатели.

Существует несколько теорий, объясняющих наблюдаемый нами эффект Герца- Квинке. Для нас наиболее понятной является следующая: под действием напряжения, приложенного к пластинам, диэлектрик поляризуется. На его поверхности появляются заряды, наведенные электрическим полем. Они противоположны по знаку зарядам пластин статора. Пока шарик не вращается, напряжение не приложено, силы притяжения к пластинам с противоположных сторон уравновешены и сдвинуть его с места не могут. При прикладывании к пластинам напряжения, заряды на поверхности диэлектрика, поляризуются, и создается вращающий момент, Рисунок 1.

Рисунок 1. Расположение зарядов на поверхности диэлектрика

2. Проведение эксперимента

Для проведения экспериментов была собрана установка, состоящая из двух электродов, на которые подается напряжение 3000 В. Использовались образцы горных пород и пластилин.

1. 1. Исследование вращения от химического состава тел.

В первом эксперименте мы провели анализ вращения образцов горной породы и органических тел в электрическом поле. Были обследованы всего 11 образцов на предмет вращения в электрическом поле. Из органических тел рассмотрены парафин, пластилин, твердое мыло и кусок сахара. Из металлических тел рассмотрены ферромагнетик (магнит), пирит, гематит.

Вывод: Рассмотренные металлические тела не крутятся в электрическом поле, а встают по полю. Остальные вещества крутятся по часовой стрелке, либо против.

1. 2. Исследование зависимости скорости вращения от формы тела при постоянной массе.

Будем исследовать зависимость вращательной способности трех тел разной формы (шар, куб, пирамида), изготовленных из пластилина.

Вывод: результаты исследования показали, что форма тела влияет на скорость вращения тел в электрическом поле. Наибольшую скорость имеет тело шарообразной формы.

1. 3. Исследование зависимости скорости вращения от массы при постоянной форме.

Будем исследовать зависимость вращательной способности тела в форме куба в электрическом поле в зависимости от массы.

В качестве эксперимента было взято органическое вещество – пластилин.

В первом эксперименте было изготовлено 8 экземпляров в форме куба различной массы от 5 до 40 грамм. Использовался пластилин разных цветов и разных производителей.

Вывод: Результаты исследования показали, что с увеличением массы скорость вращения тел уменьшается. Но, был замечен «провал» при массе 10 грамм.

Во втором эксперименте было изготовлено 8 экземпляров в форме куба различной массы от 5 до 40 грамм. Использовался пластилин одного цвета и одного производителя.

Вывод: Экспериментальные опыты показали, что с увеличением массы тел одной формы скорость уменьшается, но все-таки появился «провал» при массе 30 грамм.

1. 4. Исследование вращение тел от поверхности.

Известно, если диэлектрическое тело заменить магнитом, то он будет в электрическом постоянном поле колебаться, но не вращаться. Возьмем и проверим его на способность вращения. Магнит не вращается. Но если магнит покрыть тонким слоем вещества, как например, лаком или сменить поверхность (поместить в резиновый шарик) то рассмотренное тело после прохождения времени поляризации приходят во вращение. Вращается и лед до появления пленки воды. Таким образом, можно сделать вывод, что во вращательном движении происходит поверхностная поляризация вещества.

На диполь, помещенный в электрическое поле действует пара сил, стремящихся развернуть диполь по полю, рисунок 2.

Рисунок 2. Диполь в электрическом поле.

Механизм вращения диэлектрических тел следует из рисунка 3.

Рисунок 3. К вопросу о механизме вращения тел.

Вывод: Таким образом, магнит в электрическом поле при данном потенциале не вращается, но после покрытия тонким слоем вещества или смены поверхности приходит во вращение, во вращении участвует только внешняя поверхность тела. В [4, стр70] сказано, что заряды распределяются только на внешней поверхности диэлектрика. Другими словами, заряды в диэлектриках распределяются только по поверхности. А будет вращение или нет, зависит от рода тела и если не вращается, то его можно привести во вращение.

3. Заключение

В результате поведенных экспериментов мы исследовали способность тел вращаться в электрическом поле. Вращение диэлектрических тел обусловлено проявлением эффекта Герца-Квинке.

Экспериментально установлено неизвестное ранее явление вращения тел в электрическом поле, заключающееся в том, что под действием электрического поля возникает вращение сферических, кубических, конических и другой формы тел со скоростью, зависящей от формы тел, обтекаемости, массы и состояния поверхности вокруг тела.

Нами было обнаружена вращательная способность у минералов горной породы помещенными между электродами электрического поля. Вращательная способность минералов горной породы может представлять интерес для геофизиков, а также может иметь отношение и к астрофизике, поскольку в астрофизике выдвигают гипотезы о механизме вращения планет.

Результатом исследования стало создание модели электростатического двигателя. Устройство электростатического двигателя является достаточно простым, но модель трудно привести к рабочему состоянию, небольшое трение в системе, неровности на поверхности ротора приводят тому, что ротор не вращается.

Считаю, что электростатические двигатели не получили широкого распространения из-за того, что высокое напряжение источника часто приводит к пробою изоляционных промежутков, как между электродами, так и между электродами и ротором.

Коэффициент полезного действия установки не высок. Но такие двигатели могут найти свое применение при использовании энергии природного электричества, например, энергии грозового облака.

4. Список литературы

1. Журнал «Старт в науку», № 5 (часть 5), 2018 г.

2. Журнал «Юный техник». Физический эксперимент, № 4. 2007 г.

3. Г.И. Сканави. Физика диэлектриков. (область слабых полей)/М.: Физмат. 1958 г.

4. Г.В. Николаев. Современная электродинамика и причины ее парадоксальности. М.: OOO -"НТЦ-НЭД". 2003 г.-133 с

Приложение 1

Двигатель Франклина Двигатель Поггендорфа

Приложение 2

Двигатель Олега Ефименко

Испытания устройств Олега Ефименко