Работа на конкурс проектов и научно-исследовательских работ учащихся : «Исследование колебаний диэлектрика в постоянном электрическом поле»

Исследование колебания диэлектрика в постоянном электрическом поле.

Для возникновения колебаний при постоянном воздействии необходима обратная связь. Выведенная из равновесия, система в постоянном  электрическом, гравитационном поле совершает затухающие колебания. Работа в потенциальном поле по замкнутому пути  равна нулю. Этот факт является причиной того, что нельзя построить двигатель, в котором используется только энергия потенциального поля [1,2]. Поля, в которых работа по замкнутому пути отлична от нуля, называются вихревыми. Для создания таких полей надо постоянно затрачивать энергию. Так работают электрические двигатели. Для поддержания незатухающих колебаний в потенциальном поле необходимо периодически подводить к системе энергию. Потенциальное поле играет роль силы, которая стремится вернуть систему в состояние равновесия, в состояние с минимальной потенциальной энергией. При этом подводить энергию необходимо в определенном положении системы. Для этого используется обратная связь, которая обеспечивает периодическое подведение энергии в определенном состоянии системы (фазе) и с частотой собственных колебаний системы. Обратная связь- это устройство, которое следит за положением системы и  подключает канал подведения энергии от источника энергии строго в определенном состоянии системы. Существует много различных способов создания обратной связи и все они включают устройство обеспечивающее связь колебательной системы с источником энергии. Известны электромагнитные связи в генераторах электрических колебаний,  механическая связь, например в часах.

Целью работы является создание колебательной системы и электростатического двигателя с разрядной обратной связью.

Для решения этой задачи нами проведено исследование колебательной системы, в которой обратная связь возникает за счет пробоя в воздухе. Данная система представляет собой диэлектрическую или металлическую пластину, изолированную от источника энергии и помещенную между двумя электродами. При отклонении пластины к одному из электродов она начинает притягиваться к ближайшему электроду за счет зарядов электрода и индуцированных зарядов противоположных знаков на пластине. При приближении пластины к электроду происходит пробой, и пластина заряжается зарядом соответствующим знаку электрода. Одноименные заряды отталкиваются,  и пластина начинает движение в сторону другого электрода. Далее процесс повторяется. Обратная связь с источником энергии, в нашем случае, осуществляется за счет пробоя в воздухе  при приближении пластины к электроду на расстояние, при котором происходит пробой в воздухе. Определим напряжение пробоя при данном наименьшем расстоянии пластины до электрода. Пусть это расстояние равно d. Если напряженность пробоя равна  , то напряжение пробоя равно:

                                                                 (1)

Момент пробоя всегда будет происходить,  когда пластина находится на расстоянии d от одной из пластин. Проведенное нами исследование показало, что пластина должна располагаться определенным образом относительно электродов. Желательно, чтобы пластина обязательно могла коснуться пластин, рис.1, в противном случае колебания могут отсутствовать, рис.2. В случае расположения  рис.2 возможно совершение одного колебания. Например, при первоначальном приближении к пластине, заряженной положительно,  произойдет пробой,  т.к. если пластина приобрела кинетическую энергию движения, чтобы выйти за пластину, то она отклонится дальше и остановится. При этом силы упругости пластины будут уравновешены силой отталкивания. Рис.3

Рис.1                                                                     Рис.2

Рис.3

Такое расположение электродов и колебательной системы позволяет создать электростатический двигатель. В нем будут отсутствовать движущиеся контакты, которые стираются и ограничивают ресурс двигателя. Схема двигателя приведена на рис.4

Рис.4 Схема ротора электростатического двигателя.

Для увеличения ёмкости контактов нами было увеличены площади электродов на роторе двигателя.  Напряжение от источника питания подводится к неподвижным электродам. В отличие от существующего патента [3] мы увеличили площадь электродов за счет той части, которая находится на роторе.  Мы полагаем, что возможно дальнейшее резкое увеличение емкости электродов, при использовании электродов имеющих форму переменного воздушного конденсатора, причем электроды покрыты диэлектриком. Проведенный нами патентный поиск позволяет надеяться на получение патента.

Выводы.

1.Собраны действующие модели колебательной системы и электростатического двигателя. Исследованы физические принципы действия конструкций

2. Предложена новая конструкция электродов электростатического двигателя и  колебательной системы.

Литература

1.      Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Колебания и волны. 11кл. 8-е издание.М.: Дрофа,2009.-287с.

2.      Магнус К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем.-М.:Мир,1982.-302с.

3.      Тимченко Н.М., Литовченко В.С., Литовченко С.С. Электростатическй двигатель. Патент №SU 1224936

Краткое описание документа:

Работу выполнил ученик 10 класса МОУ "Луховский лицей" Дворников Никита. Руководитель работы учитель физики высшей категории МОУ "Луховский лицей" Смирнова С.Г. Работу представляли на конкурсе проектов и учебно-исследовательских работ учащихся "Школьники города-науке 21 века" 20 декабря 2015 г. Работа заняла призовое место