바퀴 손잡이를 시계방향으로 흔들면 분리된 두 개의 공 사이에 전기 스파크가 발생하며, 탁탁거리는 방전음이 들립니다. 이것이 유도 전동기의 방전 현상입니다. 이 현상은 어떻게 발생했나요? 아래에서 그 원리를 소개하겠습니다.
정전 순서에서 알루미늄이 구리보다 우선하기 때문에 디스크가 회전하면 알루미늄 시트가 브러시의 구리선과 마찰하여 양전하를 띠고 구리선은 음전하를 띠게 됩니다. 그림과 같이: 금속 알루미늄 시트 S1을 처음 마찰했을 때의 충전량을 Q1이라고 가정하고, 동일한 직경의 알루미늄 시트 S2의 충전량을 Q1과 Q2의 크기가 다르다고 가정합니다. 그림과 같이:
(1) 90° 회전 (2) 45° 회전 (3) 45° 회전
(4) 45° 회전 (5) 45° 회전 (6) 45° 회전
(7)
디스크가 90° 회전할 때 S1은 역방향 브러시 Bˊ와 반대입니다. 이때 S2ˊ 및 S1ˊ는 각각 S1과 같습니다. S2는 반대이다. Q1>Q2라고 가정하면, S1ˊ과 S2ˊ 사이의 브러시 연결로 인해 자유 전자가 이동하여 S1ˊ은 양전하를 띠고 S2ˊ는 음전하를 띠게 됩니다.
디스크가 다시 45° 회전하면 S1과 S2는 전극에 연결된 플로팅 브러시 E2와 E1에 대해 시계 방향으로 회전하고 그곳에서 방전되어 E1과 E2가 양전하를 띠게 되며 이러한 양전하가 축적됩니다. 라이덴병 C1과 C2.
디스크가 또 45° 회전하면, 즉 S1이 앞브러쉬 B에 대응되도록 회전하면 S1은 S1ˊ와 반대, S2는 S2ˊ와 반대가 되고 방금 배출된 S1과 S2는 더 이상 요금이 부과되지 않습니다. S2의 음전하는 S2를 양전하로 만들고 금속 브러시의 구리선과의 마찰로 인해 양전하를 띠게 됩니다. 두 가지의 동시 작용에 따라 S2는 S1에 대해 양전하를 띠게 되며 양전하는 이를 유도성으로 만듭니다. 금속 브러시의 연결 효과로 인해 S2에 의해 전달된 양전하는 전자를 이동시켜(그림 4 참조) S1이 음전하를 띠게 하지만 마찰이 발생하더라도 양전하가 됩니다. 위의 두 가지에 의해 생성된 음전하는 이 효과에 의해 생성된 음전하가 상쇄되므로 S1은 여전히 음전하를 띠고 있습니다.
디스크가 다시 45° 회전하면 S1ˊ 및 S2ˊ는 각각 플로팅 브러시 E2ˊ 및 E1ˊ로 회전합니다. 양전하를 띤 S1ˊ은 E2ˊ에서 방전된 후 더 이상 충전되지 않으며, E2ˊ의 음전하는 중성화되어 E2ˊ를 양전하로 만듭니다. 이러한 양전하는 방전 포크 T2의 방전 볼에 있는 Leyden jar C2에 의해 축적됩니다. 충전된 S2ˊ는 E1ˊ에서 방전된 후 더 이상 충전되지 않으며 E1ˊ의 양전하는 중화되어 E1ˊ 음전하를 만듭니다. 이러한 음전하는 방전 포크 T1의 방전 볼에 있는 라이덴병 C1에 의해 축적됩니다.
디스크가 다시 45° 회전하면 S1은 S2ˊ를 다시 만나고, S2는 S1ˊ을 만납니다. 이때 S1과 S2는 역브러시 Bˊ의 반대편에 있고, S1ˊ과 S2ˊ는 E2와 E1에서 배출됩니다. 더 이상 비용이 청구되지 않습니다. 이때의 전하변화는 과정 (4)와 유사하므로 S1의 반대편 S2ˊ는 양전하를 띠고, S2의 반대편 S1ˊ은 음전하를 띤다.
디스크가 다시 45° 회전하면 S1과 S2가 각각 플로팅 브러시 E1과 E2로 회전하게 됩니다. S1은 E1에서 방전되어 방전 포크 T1의 방전 볼에 음전하가 쌓이고, S2는 E2에서 방전되어 방전 포크 T2의 방전 볼에 양전하가 쌓이게 됩니다. 이후 핸들을 돌리면 (3)~(7)의 과정을 반복하게 되는데, 두 디스크의 역회전으로 인해 전극에 연결된 현수 브러시 E2, E2ˊ의 금속 조각이 모두 사라지게 됩니다. 전극에 연결된 플로팅 브러시 E1 및 E1ˊ의 금속 조각은 모두 음으로 대전됩니다. 라이덴병 C2는 방전볼 T2에서 점점 더 많은 양전하를 감지하고, 레이덴병 C1은 방전볼 T1에서 점점 더 많은 음전하를 감지하게 되면, 볼에 일정한 전하가 축적되면 방전 현상이 발생하게 됩니다. 레이덴 병뚜껑에 있는 방전 포크와 매달린 브러시 사이의 공기도 이온화되어 짧은 시간 안에 방전 포크와 매달린 브러시가 도체 역할을 하여 레이덴 병에 있는 대부분의 전하가 축적됩니다. 그리고 그 후에는 위의 과정을 다시 반복하세요.
그러나 발전기는 처음부터 방전을 할 수 없다. 공기가 분해되기 위해서는 일정한 전압이 필요하기 때문에 일정량의 전하가 축적되어야 하고, 방전 포크 T1에 전하가 축적되어야 하기 때문이다. T2는 일정 시간이 필요하므로 발전기를 장기간 사용하지 않을 경우 T1과 T2 사이의 전압이 항복 전압에 도달하여 방전이 발생하기 전에 일정 시간 동안 크랭크 핸들을 흔들어야 합니다.
그럼 조이스틱을 반대 방향으로 돌려도 같은 효과가 나오나요? 대답은 '아니요'입니다. 왜냐하면 발전기의 원리는 역회전 시 정회전과 동일하지만 마찰과 대전 후 앞면과 뒷면의 알루미늄 시트가 반대쪽의 브러시를 통과하지 않고 직접적으로 회전하기 때문입니다. 매달린 브러시에서 방전이 발생하지 않도록 두 개의 Leyden 병이 동일한 전하를 갖도록 만듭니다.
이 주제에 대한 연구 과정에서 이해를 돕기 위해 몇 가지 보조 실험도 수행했습니다.
1. 이론적 분석에서 각 금속 조각이 운반하는 전하의 유사점과 차이점을 확인합니다.
(1) 손잡이를 흔들어 알루미늄 시트를 브러시에 문지릅니다. 와이어의 한쪽 끝을 검전기에 연결하고 다른 쪽 끝을 알루미늄 시트 S1에 접촉하면 검전기의 포인터가 열립니다. 이때 와이어를 사용하여 S1과 동일한 직경의 알루미늄 시트 S2를 접촉시키고 검전경의 포인터를 닫아 S1과 S2가 서로 다른 전하를 운반하고 있음을 나타냅니다.
(2) 알루미늄 시트 S1을 와이어와 접촉시키면 검전기의 포인터가 열립니다. 그런 다음 S1 반대편의 알루미늄 조각 S1ˊ에 접촉하면 검전경의 알루미늄 조각 포인터가 닫히고 S1과 S1ˊ도 서로 다른 전하를 운반한다는 것을 나타냅니다.
(3) 알루미늄 시트 S1을 와이어와 접촉시키면 검전기의 포인터가 열립니다. 그런 다음 S2 반대편의 알루미늄 조각 S2ˊ에 접촉하면 검전기의 포인터가 더 큰 각도로 열리며 이는 S1과 S2ˊ가 동일한 전하를 운반하고 있음을 나타냅니다.
2. 반전 중에 두 개의 라이덴 병에 축적된 전하의 전기적 특성을 확인합니다.
먼저 전선을 사용하여 방전볼 중 하나를 검전기에 연결하고 뚜껑을 엽니다. 검전기의 포인터. 그런 다음 검전경 포인터의 개방 각도가 감소하지 않도록 또 다른 작은 공을 검전경에 연결합니다.
3. 라이덴 병과 배출볼의 역할 결정
(1) 라이덴 병을 제거하고 손잡이를 돌려 두 개의 볼이 평소처럼 배출되는 것을 관찰합니다. 매우 높은 주파수에서는 전기 스파크가 상대적으로 약합니다(이러한 종류의 전기 스파크는 어두운 조건에서만 관찰될 수 있습니다).
(2) 라이덴 병을 설치하고 배출볼을 제거한 후 핸들을 돌립니다. 작은 공은 평소와 같이 방전되는 것을 볼 수 있으나, (1)과 비교하면 주파수가 더 높고 스파크가 더 강한 것을 볼 수 있다. 위의 2단계 실험을 보면 라이덴이 나타난다. 병과 방전볼은 전기저장장치일 뿐 방전여부와는 아무런 관련이 없습니다. 이론적으로는 라이덴병이나 방전볼을 제거한 후 공식 U=Q/C에 따라 정전용량이 감소하는 것으로 분석할 수 있습니다. C가 감소하면 전압을 충족시키기 위해 소량의 전하 Q2만 축적될 수 있습니다. 방전 요구 사항이 있으므로 방전 빈도가 증가합니다. 그러나 공의 전하가 감소하므로 전기 스파크가 약해집니다. 이는 실험적 현상과 일치한다.
(3) 두 라이덴 병 사이의 전기적 결합의 기능을 구하라
전기 키가 닫혔을 때, 즉 두 라이덴 병을 연결했을 때, 방전볼 사이의 스파크가 강화되고 방전음이 더 커지고 주파수가 감소합니다.
3. 실험 확장
장비: 유도 전동기, 구리선 등
단계: 발전기의 두 금속 볼을 약 10mm 정도 분리합니다. 발전기를 흔들면 금속 공 사이에 스파크가 발생하고 약간의 "삐" 소리가 나는 것을 볼 수 있습니다. 이때 발전기를 계속 흔들어주면서 두 개의 금속구 사이의 거리를 점차적으로 20~30mm 정도 늘려준다. 이때 두 개의 금속구 사이에 밝은 전기 섬광이 보이고, 바삭바삭한 '딱' 소리가 들린다. 이러한 현상을 방전현상이라 한다. 번개는 자연에서 발생하는 대규모 방전현상이다. 실험에서의 섬광은 번개와 같고, 딱딱거리는 소리는 천둥과 같습니다.
발전기 흔들기를 멈추고 두 개의 금속구를 접촉시켜 양극 전하와 음극 전하를 중화시키세요. 그런 다음 구리선의 한쪽 끝이 다른 금속구를 향하고 금속구에서 10mm 떨어져 있도록 하나의 금속구 주위에 구리선을 감습니다. 모터를 흔들면 금속 볼 사이에 더 이상 스파크가 발생하지 않습니다. 금속구 사이의 거리가 멀어지면 전기 섬광이 보이지 않습니다. 금속구에 구리선을 첨가하면 방전 현상이 발생하지 않는 이유는 무엇입니까? 물체에 전달된 전기는 물체의 끝부분에서 쉽게 빠져나올 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 금속구에 붙은 전기가 구리선 끝부분에서 서서히 방출되기 때문에 금속구에 많은 양의 전기가 축적되지 않으므로 격렬한 방전이 발생하지 않습니다(그림 5). 피뢰침은 이 원리를 이용해 만들어집니다.