УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЗАРЯДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
DEVICE FOR CREATION OF CHARGES ON SURFACE OF BODIES AND METHOD FOR APPLICATION THEREOF

Изобретение относится к области измерительной и учебной техники и может быть использовано для изучения явлений электромагнетизма, например электростатики, создания конденсаторов с изменяющейся емкостью, для измерения распределенных зарядов с заданным законом их распределения на поверхности материалов.
Распределение зарядов на поверхности тел имеет принципиальное значение для создания материалов с заданными свойствами, создания систем для фокусировки заряженных частиц.
Демонстрация этого явления, а также создание систем с распределенными зарядами является важной практической задачей измерительной техники и представляет интерес для учебного процесса, так как обучение требует применения творчески поставленных опытов.
0
0
Известно устройство создания зарядов на поверхности материалов. Металлический шар помещают в электрическое поле заданной конфигурации и на поверхности шара создают индуцированный заряд с поверхностной плотностью заряда σ, величина которого зависит от полярного угла Θ заряжаемого шара (Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. Шк., 1983. - с. 55). Диэлектрическое непроводящее кольцо заряжают с линейной плотностью λ=λcosΘ, где λ - положительная постоянная, Θ - азимутальный угол (Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. Шк., 1983. - С. 35). Для демонстрационных опытов тела подвергают трению, электризуют и качественно с помощью электроскопа определяют наличие электрического заряда (Калашников С.Г. Электричество: Учебное пособие: - М.: Наука. - с. 18-20). Известно устройство, состоящее из источника тока, вольтметра, металлического зонда, заряжаемого тела.
С помощью вольтметра демонстрируют наличие заряда на теле и его изменение (Guisasola Jenaro, Zubimendi José L., Zuza Kristina. How much have students learned, Research-based teaching on electrical capacitance - Изучение базовых понятий электроемкости // Physical Review Special Topics - Physics Education Research 6, 020102-2010. - pp. 1-10).
Эти устройства не позволяют устанавливать контролируемые количественные значения распределения зарядов по поверхности тела и предназначены для демонстрационных и оценочных целей.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство и способ его применения, описанные в патенте (Лидер A.M., Ларионов В.В., Гаранин Г.В. Патент №2541298, МПК G09B 23/18, опубл. 20.05.2014, Бюл. 14). По периметру диэлектрического диска, расположенного на изолированном основании, впрессованы металлические шарики, диаметр которых равен толщине диска. Металлический зонд размещен на изолированном штативе и соприкасается с каждым шариком последовательно при повороте диска на угол Θ от 0 до 360 градусов. Он выполнен в виде заостренной иглы и соединен через вольтметр и реостат с источником питания. По формулам рассчитывают заряды на каждом шарике и получают значения распределенных по периметру диэлектрического диска электрических зарядов для создания электрического поля заданной конфигурации и демонстрации явлений электростатики.
Недостатком устройства и способа является слабая точность получения распределенного заряда с контролируемой величиной, так как не весь заряд переходит с иглы на поверхность шариков.
Это связано с тем, что заряд с несущего заряд тела полностью переносится на другое только при вхождении иглы внутрь заряжаемого тела.
Например, на этом принципе устроен генератор Ван-дер Граафа (Савельев И.В. курс общей физики. Т. 2. Электричество. Магнетизм. Волны. Оптика. М., Наука, 1978. с. 214), когда все заряды переносятся внутрь полости. Кроме того, шарики трудны в изготовлении с заданной точностью.
Задача - создание устройства и способа для получения электрического заряда на поверхности тел с заданным законом распределения электрического заряда на заряжаемых телах.
Устройство для создания зарядов на поверхности тел содержит заряжаемое тело в виде диэлектрического диска, расположенного на изолированном основании. Металлический зонд размещен на изолированном штативе и соединен с вольтметром, реостатом и источником питания. Диэлектрический диск выполнен с впрессованными по окружности полыми металлическими цилиндриками, диаметр которых равен длине цилиндрика. При каждом повороте диэлектрического диска металлический зонд в виде заостренной иглы вводится внутрь цилиндрика, касаясь его донышка.
Для создания зарядов на поверхности тел диэлектрический диск располагают на изолирующем основании. По окружности
диэлектрического диска впрессовывают полые металлические цилиндрики, диаметр которых равен их длине. Внутрь каждого цилиндрика вводят зонд до соприкосновения с донышком, заряжают его и все последующие цилиндрики. Диэлектрический диск поворачивают последовательно на угол Θ от 0 до 360 градусов, заряжают каждый цилиндрик, устанавливают на зонде нужный потенциал, изменяя подаваемое на зонд напряжение с помощью реостата. Записывают на каждом цилиндрике заданное значение напряжения вольтметра ϕ и угол поворота диска Θ. По формулам рассчитывают заряды на каждом цилиндрике и получают значения распределенных по периметру диэлектрического диска электрических зарядов по закону, необходимому для создания электрического поля заданной конфигурации и демонстрации явлений электромагнетизма.
На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа создания распределенного заряда на поверхности тел.
На фиг. 2 показано расположение внутри полого металлического цилиндрика металлического зонда.
Устройство содержит диэлектрический диск 1 из непроводящего материала (например, тефлон), установленный на изолированном основании 2, металлические цилиндрики 3 с донышком, металлический зонд 4, выполненный в виде иглы длиной 10-12 мм на изолированном штативе 5 диаметром 1 мм, вольтметр 6 - В2-27, реостат 7 - РСП-1-1, включенный по схеме потенциометра, источник питания 8 - APS-1303. Угол поворота диэлектрического диска - Θ.
На фиг. 2 - L - длина зонда, l - длина цилиндрика, равная диаметру цилиндрика d. Реостат является делителем напряжения - от источника питания на зонд подают положительное или отрицательное напряжение в зависимости от типа и требуемого закона распределенного заряда, создаваемого на поверхности тела.
0
Способ создания заряда на поверхности тел с помощью данного устройства заключается в следующем. С помощью реостата и вольтметра устанавливают заданное значение напряжения ϕ на металлическом зонде.
0
Записывают значение угла Θ, определяя положение цилиндрика и значение напряжения на зонде и, соответственно, на цилиндрике. Вводят зонд до его соприкосновения с донышком цилиндрика, заряжают его, затем выводят зонд из цилиндрика, поворачивают диск на угол Θ до следующего цилиндрика, измеряют и записывают угол поворота Θ, по формуле ϕ=ϕcosΘ вычисляют напряжение на зонде, реостатом устанавливают полученное значение напряжения на зонде и записывают его значение. Повторяют действия до тех пор, пока не будут заряжены все цилиндрики диска.
Для осуществления работы устройства определяют электрическую емкость каждого цилиндрика C по формуле
0
где ε - электрическая постоянная, R - радиус цилиндрика. Эта формула справедлива для случая, когда длина цилиндрика равна его диаметру. Заряд каждого цилиндрика Q равен
где ϕ - напряжение на цилиндрике, которое равно напряжению зонда, так как зонд введен внутрь цилиндрика. Напряжение зонда ϕ устанавливают с помощью реостата. В данном случае реостат служит делителем напряжения, которое создает источник тока. Таким образом, заряд i-го цилиндрика Q равен
0
Так как при каждом повороте диска на угол Θ с помощью реостата изменяют потенциал ϕ зонда, а следовательно, и цилиндрика, то заряд на диске с помощью устройства изменяют по требуемому закону. Например, ϕ=ϕcosΘ, тогда
0
где ϕ - начальное значение напряжения зонда и первого цилиндрика. Физической основой устройства является зависимость заряда металлического цилиндрика от его размеров и его места расположения на поверхности диэлектрического тела. Для того чтобы заряд распределялся плавно по периметру диска, размеры цилиндриков должны быть более чем в 10 раз меньше размеров диска.
0
Конкретный пример создания распределенного электрического заряда на поверхности диска и способ его применения. Вырезают из листа непроводящего материала толщиной 1,5-2 мм (тефлон) диск 1 радиусом 60 мм. Затем с торца диска по окружности сверлят отверстия диаметром 1 мм с допуском -0.01 мм на расстоянии 0.5 мм друг от друга. В отверстия впрессовывают полые металлические цилиндрики 3 диаметром 1 мм и диаметром внутренней полости 0.6÷0.8 мм. Диск устанавливают на жестко закрепленную диэлектрическую подставку 2 с возможностью его вращения относительно оси, проходящей через его геометрический центр. К металлическим цилиндрикам диэлектрического диска подводят жестко закрепленный на изолированном штативе металлический зонд 4. Зонд 4 - металлический стержень в виде заостренной иглы - диаметром 0.5 мм и длиной 15 мм соединяют с вольтметром 6 - В2-27, реостатом 7 - РСП-1-1, включенным по схеме потенциометра, источником питания 8 - APS-1303. Для создания заряда на цилиндриках на зонд 4 подают напряжение от источника питания 8, затем зонд 4 вводят внутрь первого цилиндрика 3 до соприкосновения его с донышком. После соприкосновения выводят зонд 4 из цилиндрика 3. Поворачивают диск на угол Θ до расположения зонда 4 напротив отверстия следующего цилиндрика 3, увеличивают напряжение с помощью реостата, вводят внутрь цилиндрика зонд 4, после соприкосновения с донышком зонд выводят из цилиндрика, записывают показания вольтметра и значения угла Θ. Процесс повторяют до тех пор, пока не будут заряжены все цилиндрики диска или их необходимое число. Величину заряда на каждом цилиндрике рассчитывают по формуле (4). Если напряжение на первом цилиндрике 3 установлено ϕ=10 В, то заряд Q=Cϕ=4πεRϕ=(1.122±0.001) пКл. Далее заряд на цилиндриках 3 изменяется по выбранному заранее закону, например по косинусоидальному закону. Погрешность измерения величины заряда находят по формуле (5)
(5)
где ΔR - погрешность измерения радиуса цилиндра, Δϕ - погрешность измерения потенциала зонда.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания на поверхности твердых тел распределенного заряда с контролируемой величиной заряда.