Интерактивная лаборатория учителя по электростатике

Интерактивная лаборатория учителя по электростатике предназначена для проведения демонстрационных опытов по электростатике, в том числе для демонстрации электризации тел при взаимном контакте и искрового газового разряда в воздухе.

Интерактивная лаборатория основана на генераторе Ван-де-Граафа, который состоит из массивного основания, заряжаемой до высокого напряжения металлической сферы, привода с движущейся прорезиненной лентой и щетками для передачи заряда, разрядного устройства и резистора. В комплект интерактивной лаборатории так же входит флеш-накопитель с ПО для моделирования электростатического взаимодействия.

Для демонстрации устройства генератора Ван-де-Граафа металлическая сфера является съемной. В качестве привода используется подключаемый к внешнему источнику постоянного тока электродвигатель, на вал которого жестко насажен ведущий шкив. Ведомый шкив установлен в верхней части стойки из оргстекла и находится внутри металлической сферы. Питание привода должно осуществляться от регулируемого источника постоянного тока, рассчитанного на ток нагрузки 1 А. Снятие заряда с ленты обеспечивается щеткой верхнего ролика, которая выполнена из тонких медных проволок и соединена с внутренней поверхностью сферы. Снятие заряда осуществляется бесконтактно за счет ионизации воздуха в пространстве между щеткой и лентой. Зарядка поверхности ленты обеспечивается щеткой нижнего ролика. Электрическая схема генератора обеспечивает измерение тока зарядки.

Разрядное устройство представляет собой полусферу, обращенную в сторону заряжаемого шара. Разрядное устройство установлено на вертикальной стойке и имеет электрический контакт с основанием. Изменение длины разрядного промежутка осуществляется за счет перемещения полусферы вверх по вертикальной стойке.

Для снятия остаточного заряда со сферы используется штанга, представляющая собой диэлектрическую трубку с металлическим наконечником. Металлический наконечник соединен гибким проводом с основанием установки.

Основные технические характеристики:

• Напряжение питания от 6 до 18 В,
• Потребляемая мощность 20 Вт,
• Длина провода питания 1200 мм,
• Радиус сферы 100 мм,
• Электроемкость сферы 12 пФ,
• Максимальный ток зарядки сферы 2 мкА,
• Напряжение на сфере 120 кВ.
• Размеры установки 360х210х500 мм.

Программа компьютерного моделирования обеспечивает рассмотрение взаимодействия зарядов, помещенных на проводящие поверхности двух сфер. Программа компьютерного моделирования позволяет задавать радиусы сфер, расстояние между их центрами и величины заряда, помещаемого на поверхность каждой из сфер. Программа может рассчитывать распределение (плотность) зарядов по поверхности каждой из сфер и напряженность электростатического поля в промежутке между сферами. Вывод данных осуществляется в виде графиков зависимости плотности заряда от угловой координаты на поверхности сферы, отсчитываемой от оси симметрии системы (линии, соединяющей центры сфер), а также графиков изменения электрического поля в промежутке между сферами. В целях наглядности формирование итогового распределения плотности заряда показывается в виде анимации на примере отдельных точечных зарядов, распределенных по поверхности сфер. Экранный интерфейс программы обеспечивает работу с полученными графиками: установку маркера и определение значений электрического поля и плотности заряда в выбранных точках. Программа формирует таблицу результатов, которая может быть вставлена в электронную таблицу для дальнейшей работы с данными.