E-Field Mill: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Anda mungkin sudah tahu bahwa saya kecanduan segala jenis aplikasi pengukuran sensor. Saya selalu ingin melacak fluktuasi medan magnet bumi dan saya juga terpesona dengan mengukur medan listrik sekitar bumi yang dipertahankan oleh proses pemisahan muatan yang terjadi antara awan dan permukaan bumi. Insiden seperti langit cerah, hujan atau badai petir semuanya memiliki dampak dramatis pada medan listrik yang mengelilingi kita dan temuan ilmiah baru menunjukkan kepada kita bahwa kesehatan kita sangat bergantung pada medan listrik di sekitarnya.

Jadi, itulah alasan mengapa saya ingin membuat sendiri alat pengukur yang cocok untuk medan listrik statis. Sudah ada satu desain yang cukup bagus, juga disebut pabrik medan listrik yang banyak digunakan. Perangkat ini menggunakan efek yang disebut Induksi Elektrostatik. Ini selalu terjadi ketika Anda memaparkan bahan konduktif ke medan listrik. Medan menarik atau menolak elektron bebas dalam materi. Jika terhubung ke tanah (potensial bumi) pembawa muatan mengalir masuk atau keluar dari material. Setelah pemutusan arde, muatan tetap ada pada material meskipun medan listrik hilang. Muatan ini dapat diukur dengan voltmeter. Ini kira-kira prinsip pengukuran medan listrik statis.

Beberapa tahun yang lalu saya membangun pabrik lapangan sesuai dengan rencana dan skema yang saya temukan di internet. Pada prinsipnya terdiri dari sebuah rotor dengan semacam baling-baling di atasnya. Baling-baling adalah satu set kembar segmen logam yang dibumikan. Rotor memutar satu set pelat induksi yang secara elektrik tertutup dan terbuka oleh rotor. Setiap kali mereka terungkap, induksi elektrostatik dari medan listrik sekitar menyebabkan aliran pembawa muatan. Aliran ini dibalik ketika rotor menutupi lagi pelat induksi. Apa yang Anda dapatkan adalah arus sinusoidal bolak-balik yang amplitudonya merupakan representasi dari kekuatan medan yang diukur. Ini adalah cacat pertama. Anda tidak mendapatkan tegangan statis yang menunjukkan kekuatan medan tetapi harus mengambil amplitudo sinyal bolak-balik yang harus diperbaiki terlebih dahulu. Masalah kedua bahkan lebih membosankan. Pabrik lapangan bekerja cukup baik di lingkungan yang tidak terganggu - katakanlah di sisi gelap bulan ketika Anda jauh dari dengungan saluran listrik dan semua kabut listrik berlimpah yang menembus lingkungan kita di mana pun kita berada. Terutama dengungan saluran listrik 50Hz atau 60Hz mengganggu secara langsung sinyal yang diinginkan. Untuk mengatasi masalah ini, pabrik lapangan menggunakan set pelat induksi kedua dengan penguat lain yang mengambil sinyal yang sama dengan pergeseran fasa 90°. Dalam penguat operasional tambahan, kedua sinyal dikurangkan satu sama lain. Karena mereka keluar dari fase, sisa sinyal yang diinginkan tetap ada dan interferensi, yang sama di kedua sinyal, dibatalkan secara teoritis. Seberapa baik ini bekerja tergantung pada kesetaraan interferensi di kedua rangkaian pengukuran, CMRR penguat dan pada pertanyaan apakah penguat menjadi overdrive atau tidak. Apa yang membuat situasinya semakin tidak nyaman adalah Anda secara kasar menggandakan jumlah perangkat keras hanya untuk menghilangkan gangguan.

Tahun lalu saya punya ide untuk mengatasi masalah itu dengan desain saya sendiri. Ini sedikit lebih banyak pekerjaan pada mekanik tetapi sederhana dalam hal elektronik. Seperti biasa, ini bukan replikasi langkah demi langkah yang mendetail dari perangkat lengkap. saya akan menunjukkan kepada Anda prinsip kerja pada desain saya dan Anda dapat mengubahnya dengan cara yang berbeda dan menyesuaikannya dengan kebutuhan Anda sendiri. Setelah menunjukkan kepada Anda cara membuatnya, saya akan menjelaskan cara kerjanya dan menunjukkan kepada Anda hasil pengukuran pertama saya.

Ketika saya mendapatkan ide untuk perangkat ini, saya sangat bangga, tetapi seperti yang Anda tahu, kesombongan mendahului kejatuhan apa pun. Ya, itu adalah ide saya sendiri. Saya mengembangkannya sendiri. Tapi seperti biasa ada seseorang di depanku. Pemisahan muatan dengan induksi dan amplifikasi dengan menggunakan efek kapasitor digunakan di hampir setiap desain generator elektrostatik selama 150 tahun terakhir. Jadi tidak ada yang istimewa dari desain saya meskipun saya adalah orang pertama yang berpikir untuk menerapkan konsep tersebut untuk mengukur medan elektrostatik lemah. Saya masih berharap suatu hari saya akan menjadi terkenal.

Langkah 1: Daftar Bahan dan Alat

Daftar berikut menunjukkan kira-kira bahan apa yang Anda perlukan. Anda dapat mengubah dan menyesuaikannya sebanyak yang Anda inginkan.

• Lembaran kayu lapis 4mm
• balok kayu 10x10mm
• tabung aluminium 8mm
• batang aluminium 6mm
• Batang kaca plexiglass 8mm
• 120x160mm satu sisi PCB berlapis tembaga
• kawat kuningan atau tembaga 0.2mm
• sepotong lembaran tembaga 0.2mm
• pateri
• lem
• Sekrup dan mur 3mm
• Soket uji 4mm
• tabung karet konduktif (diameter dalam 2mm) Saya mendapatkan milik saya dari amazon
• Bagian elektronik sesuai dengan skema (bagian unduhan)
• Kapasitor styroflex 68nF sebagai pengumpul muatan. Anda dapat mengubah nilai ini dengan cara yang luas.
• Motor penggulung untuk 6V DC. Ini adalah motor yang dirancang khusus untuk pemutar disk dan tape recorder. RPM mereka diatur! Anda masih dapat menemukannya di Ebay.
• Catu daya 6V/1A.

Ini adalah alat yang Anda butuhkan

• Besi solder
• Lingkungan pengembangan Arduino di PC/Notebook Anda
• Kabel USB-A ke B
• file atau lebih baik mesin bubut
• bor listrik
• gergaji kecil atau gergaji tangan
• pinset
• alat pemotong kawat

Langkah 2: Membuat Mekanika

Pada gambar pertama Anda dapat melihat seluruh desain didasarkan pada dua lembar kayu lapis dengan dimensi 210mm x 140mm. Mereka dipasang di atas satu sama lain, dihubungkan oleh 4 buah balok kayu yang menjaga jarak 50mm. Antara kedua lembar motor dan kabel terkandung. Motor dipasang dengan dua sekrup M3 yang dipasang di dua lubang 3mm yang dibor melalui lembaran kayu lapis atas. Selembar bahan PCB bekerja sebagai perisai terhadap medan listrik sekitar. Itu dipasang 85mm di atas lembaran kayu lapis atas dan tepi bagian dalamnya baru saja berakhir tentang poros motor.

Komponen inti dari perangkat ini adalah disk. Ini memiliki diameter 110mm dan terbuat dari bahan PCB berlapis tembaga satu sisi. Saya menggunakan gilingan untuk memotong cakram bundar dari PCB. Saya juga menggunakan penggilingan untuk memotong lapisan tembaga menjadi empat bagian yang diisolasi secara elektrik. Hal ini juga sangat penting untuk memotong sebuah cincin di sekitar tengah disk dimana poros motor akan melalui. Kalau tidak, itu akan membumikan segmen secara elektrik! Pada mesin bubut saya, saya memotong sepotong kecil batang aluminium 6mm sedemikian rupa sehingga mengambil lubang 3mm di bagian bawah dengan dua lubang 2, 5mm persegi panjang yang memiliki benang M3 dipotong. Ujung lainnya saya potong menjadi poros kecil 3mm untuk pas di lubang tengah disk. Adaptor kemudian direkatkan ke bagian bawah disk. Rakitan disk kemudian dapat disekrup ke poros motor.

Kemudian Anda melihat komponen penting lainnya. Segmen seukuran yang ada di disk, terbuat dari lembaran tembaga 0, 2mm Segmen ini dipasang pada dua lembar kayu lapis. Ketika disk dipasang, segmen ini sangat sempit di bawah disk yang berputar. jaraknya hanya sekitar 1mm. Sangat penting untuk menjaga jarak ini sekecil mungkin!

Hal penting berikutnya adalah ground whisker dan charge pick-up. Keduanya terbuat dari tabung aluminium dan batang dengan benang yang dipotong untuk memasangnya bersama-sama. Anda dapat melakukan semua jenis variasi yang Anda suka di sini. Anda hanya perlu sesuatu yang konduktif berjalan di atas permukaan disk. Untuk kumis saya mencoba banyak bahan. Sebagian besar dari mereka merusak segmen disk setelah beberapa saat. Akhirnya saya menemukan petunjuk dalam sebuah buku tentang perangkat elektrostatik. Gunakan tabung karet konduktif! Itu tidak merusak lapisan tembaga dan keausan…

Kumis arde ditempatkan di lokasi sedemikian rupa sehingga kehilangan kontak dengan segmen disk di bawahnya saat mulai membuka pelat arde. Pick-up muatan ditempatkan sedemikian rupa sehingga mengambil segmen di tengah ketika berada pada jarak maksimum dari pelat tanah. Lihat bahwa pengambilan muatan dipasang pada sepotong batang kaca plexiglass. Ini penting karena kita membutuhkan isolasi yang baik di sini. Jika tidak, kami akan kehilangan biaya!

Kemudian Anda melihat bahwa soket uji 4mm ditempatkan di "ruang bawah tanah" rakitan. Saya menyediakan koneksi ini karena saya tidak yakin apakah saya akan membutuhkan koneksi "ground" yang sebenarnya atau tidak. Dalam kondisi normal kita berhadapan dengan arus yang begitu rendah sehingga kita memiliki landasan intrinsik. Tapi mungkin akan ada setup tes di masa depan di mana kita mungkin membutuhkannya, siapa tahu?

Langkah 3: Pengkabelan

Sekarang Anda harus menghubungkan semuanya secara elektrik agar berfungsi dengan baik. Gunakan kawat kuningan dan solder bersama bagian-bagian berikut.

• Steker uji 4mm
• Kumis tanah
• Perisai
• satu kabel muatan mengumpulkan kapasitor

Solder kabel ke-2 kapasitor ke pengambilan muatan.

Langkah 4: Membuat Elektronik

Ikuti skema untuk menempatkan komponen elektronik pada selembar perfboard. Saya menyolder pin header ke tepi papan untuk menghubungkannya dengan Arduino Uno. Sirkuit ini sangat sederhana. Muatan yang terkumpul diambil di kapasitor dan dimasukkan ke dalam penguat impedansi tinggi yang meningkatkan sinyal sebesar 100. Sinyal difilter low-pass dan kemudian diarahkan ke satu input dari input konverter analog-ke-digital arduino. MOSFET digunakan untuk Arduino untuk menghidupkan / mematikan motor disk.

Sangat penting untuk menghubungkan ground dari rakitan mekanik ke ground virtual dari sirkuit elektronik dimana R1/R2/C1/C2 bertemu! Ini juga merupakan dasar dari kapasitor pengumpul muatan. Anda dapat melihat ini pada gambar terakhir di bab ini,

Langkah 5: Perangkat Lunak

Tidak banyak yang bisa dikatakan tentang Perangkat Lunak. Itu ditulis dengan sangat lugas. Aplikasi mengetahui beberapa perintah untuk dikonfigurasi dengan benar. Anda dapat mengakses arduino jika Anda memiliki Arduino IDE yang terinstal di sistem Anda karena Anda memerlukan driver comport virtual. Kemudian tancapkan kabel USB ke arduino dan PC/Notebook Anda dan gunakan program terminal seperti HTerm untuk menghubungkan arduino melalui emulated comport dengan 9600 bauds, no parity dan 1 stopbit dan CR-LF saat enter.

• "setdate dd-mm-yy" mengatur tanggal modul RTC yang terhubung ke arduino
• "settime hh:mm:ss" mengatur waktu modul RTC yang terhubung ke arduino
• "getdate" mencetak tanggal dan waktu
• "setintervall 10…3600" Menyetel interval pengambilan sampel dalam hitungan detik dari 10 detik hingga 1 jam
• "mulai" memulai sesi pengukuran setelah menyinkronkan ke menit penuh yang akan datang
• "sinkronisasi" melakukan hal yang sama tetapi menunggu satu jam penuh mendatang
• "stop" menghentikan sesi pengukuran

Setelah menerima "mulai" atau "sinkronisasi" dan melakukan sinkronisasi, aplikasi pertama-tama mengambil sampel untuk melihat di mana titik nol atau bias. Kemudian motor dihidupkan dan menunggu 8 detik hingga rpm stabil. Kemudian diambil sampelnya. Umumnya ada algoritma rata-rata perangkat lunak yang terus-menerus rata-rata sampel selama 10 sampel terakhir untuk menghindari gangguan. Nilai nol yang diambil sebelumnya sekarang dikurangkan dari pengukuran dan hasilnya dikirim melalui perilaku bersama dengan tanggal dan waktu pengukuran. Contoh sesi pengukuran terlihat seperti ini:

03-10-18 11:00:08 -99

03-10-18 11:10:08 -95

03-10-18 11:20:08 -94

03-10-18 11:30:08 -102

03-10-18 11:40:08 -103

03-10-18 11:50:08 -101

03-10-18 12:00:08 -101

Jadi, pengukuran ditampilkan sebagai defleksi dari nol yang diukur dalam angka yang dapat menjadi positif bijih negatif tergantung pada arah spasial fluks listrik. Tentu saja ada alasan mengapa saya memutuskan untuk memformat data dalam kolom tanggal, waktu dan nilai pengukuran. Ini adalah format sempurna untuk memvisualisasikan data dengan program "gnuplot" yang terkenal!

Langkah 6: Cara Kerjanya

Saya baru saja memberi tahu Anda bahwa prinsip kerja perangkat ini adalah induksi elektrostatik. Jadi bagaimana cara kerjanya secara detail? Mari kita asumsikan sejenak kita akan menjadi salah satu segmen pada disk. Kami berputar dengan kecepatan konstan terus menerus terkena medan listrik sekitar dan kemudian bersembunyi lagi dari fluks di bawah perlindungan perisai. Bayangkan kita benar-benar akan keluar dari bayangan ke lapangan. Kami akan menghubungi kumis grounding. Medan listrik akan bekerja pada elektron bebas kita dan katakanlah medan akan menolak mereka. Karena kita dibumikan akan ada sejumlah elektron yang melarikan diri dari kita dan menghilang di bumi.

Kehilangan tanah

Sekarang, saat putaran piringan berlanjut di beberapa titik, kita akan kehilangan kontak dengan kumis tanah. Sekarang tidak ada lagi biaya yang dapat melarikan diri dari kami tetapi jalan kembali untuk biaya yang sudah hilang juga ditutup. Jadi kita tertinggal dengan kekurangan elektron. Jika kita suka atau tidak, kita dikenakan biaya sekarang! Dan muatan kita sebanding dengan kekuatan fluks listrik.

Berapa banyak biaya yang kita miliki?

Selama kita terkena medan listrik, kita kehilangan beberapa elektron. Berapa banyak yang telah kita hilangkan? Nah, dengan setiap elektron yang hilang, muatan kita naik. Muatan ini menghasilkan medan listrik yang naik sendiri antara kita dan tanah. Medan ini berlawanan dengan medan sekitar yang menghasilkan induksi. Jadi hilangnya elektron berlanjut hingga titik di mana kedua medan sama dan saling meniadakan! Setelah kita kehilangan kontak dengan tanah, kita masih memiliki medan listrik kita sendiri terhadap pelat ground yang memiliki potensi bumi. Anda tahu bagaimana kita menyebut dua pelat konduktif dengan medan listrik di antaranya? Ini adalah kapasitor! Kami adalah bagian dari kapasitor bermuatan.

Kami adalah kapasitor sekarang!

Anda tahu hubungan antara muatan dan tegangan pada kapasitor? Biarkan saya memberi tahu Anda, itu adalah U=Q/C di mana U adalah tegangan, Q adalah muatan dan C kapasitas. Kapasitas kapasitor berbanding terbalik dengan jarak pelatnya! Artinya semakin lebar jarak semakin rendah kapasitasnya. Sekarang apa yang terjadi saat kita terus memutar kemudi tanpa kontak ke tanah? Kami meningkatkan jarak ke pelat tanah. Saat kami melakukan ini, kapasitas kami turun drastis. Sekarang lihat lagi pada U=Q/C. Jika Q konstan dan C menurun, apa yang terjadi? Ya, tegangan naik! Ini adalah cara yang sangat cerdas untuk memperkuat tegangan hanya dengan menerapkan cara mekanis. Anda tidak memerlukan penguat operasional, penyaringan kebisingan, dan komputasi statistik di sini. Hanya fisika pintar dan sederhana yang meningkatkan sinyal kita ke tingkat di mana pemrosesan sinyal dengan elektronik menjadi tugas yang membosankan. Semua kepintaran perangkat ini bergantung pada induksi elektrostatik dan efek kapasitor!

Apa artinya?

Tapi apa sebenarnya yang kita tingkatkan dengan cara ini? Apakah kita memiliki lebih banyak elektron sekarang? Tidak! Apakah kita memiliki biaya lebih? Tidak! Apa yang kami dorong adalah ENERGI elektron dan inilah yang memungkinkan kami menggunakan sirkuit elektronik yang lebih sederhana dan lebih sedikit penyaringan. Sekarang kami mencapai puncak lintasan kami dan akhirnya pengambilan muatan mengambil elektron energi kami dan mengumpulkannya ke dalam kapasitor pengumpul muatan.

Kekebalan terhadap gangguan

Saat Anda melihat video, Anda akan melihat bahwa meskipun ada gangguan biasa di rumah saya, sinyal keluaran perangkat stabil dan praktis bebas noise. Bagaimana ini mungkin? Yah saya pikir itu karena sinyal dan interferensi tidak akan terpisah ke amplifier seperti di pabrik lapangan klasik. Dalam desain saya, interferensi mempengaruhi muatan yang terkumpul sejak saat koneksi ke ground terputus. Itu berarti setiap sampel dipengaruhi oleh interferensi. Namun karena interferensi ini tidak memiliki komponen DC asalkan simetris, maka hasil interferensi selalu dirata-ratakan pada kapasitor pengumpul muatan. Setelah cakram cukup berputar dan sampel dimasukkan ke pengumpul muatan, rata-rata interferensi adalah nol. Saya pikir itu triknya!

Langkah 7: Pengujian

Setelah beberapa pengujian, debugging, dan peningkatan, saya menginstal pabrik lapangan bersama dengan notebook win-xp lama saya di loteng saya dan melakukan uji coba selama kira-kira satu hari. Hasilnya divisualisasikan dengan gnuplot. Lihat file data terlampir "e-field-data.dat" dan file konfigurasi gnuplot "e-field.gp". Untuk melihat hasilnya, jalankan gnuplot pada sistem target Anda dan ketik prompt >load "e-field.gp"

Lihat gambar yang menunjukkan hasilnya. Ini cukup luar biasa. Saya memulai pengukuran pada 03-10-2018 ketika cuaca cerah dan langit biru. Perhatikan bahwa medan listrik itu cukup kuat dan negatif, sementara kita harus berhati-hati karena apa yang "negatif" dan apa yang "positif" saat ini tidak masuk akal. Kami akan membutuhkan kalibrasi perangkat kami untuk menyelaraskan dengan fisika nyata. Tapi bagaimanapun, Anda dapat melihat bahwa selama siklus pengukuran kekuatan medan turun bersamaan dengan cuaca yang mulai memburuk dan menjadi berawan dan hujan. Saya entah bagaimana kagum dengan temuan itu tetapi masih harus memeriksa apakah ini berkorelasi dengan fisika.

Sekarang giliran Anda. Lanjutkan dan buat pabrik medan listrik Anda sendiri dan jelajahi rahasia planet kita dalam pencarian Anda sendiri! Selamat bersenang-senang!

Langkah 8: Mengumpulkan dan Menafsirkan Data

Sekarang karena semuanya (semoga) berfungsi dengan baik, Anda harus mengumpulkan beberapa data. Saya akan merekomendasikan untuk menggunakan tempat tetap untuk pabrik lapangan. Jika tidak, data akan sulit untuk dibandingkan. Parameter bidang lokal dapat sangat bervariasi dari satu tempat ke tempat lain. Saya mengonfigurasi pabrik yang membutuhkan satu nilai pengukuran setiap jam. Saya membiarkan pabrik berjalan selama sekitar 3 bulan. Jika Anda melihat grafik yang menyajikan data yang dikumpulkan dari bulan november 2018, desember 2018 dan januari 2019, Anda melihat beberapa temuan yang luar biasa.

Pertama Anda dapat melihat bahwa kekuatan medan pada bulan November hanya positif berubah menjadi negatif pada akhir bulan. Jadi sesuatu yang umum pasti telah berubah, mungkin menurut cuaca. Mungkin ada penurunan suhu yang wajar. Kemudian sinyal rata-rata tetap negatif hingga akhir siklus pengukuran. Hal kedua adalah bahwa ada beberapa lonjakan dalam grafik sinyal yang menunjukkan perubahan medan cepat yang hanya berlangsung beberapa menit. Saya tidak berpikir bahwa perubahan di atmosfer bertanggung jawab untuk itu. Bahkan cuaca lokal terdiri dari massa besar gas dan ion yang tergabung. Juga awan dan hujan atau salju biasanya tidak berubah dalam beberapa menit. Jadi saya pikir pengaruh buatan manusia mungkin telah menyebabkan perubahan mendadak itu. Tapi ini juga sulit untuk dijelaskan. Semua sumber saluran listrik hanya menyediakan tegangan ac. Itu tidak dihitung untuk perubahan dc yang saya amati. Saya menduga mungkin ada beberapa proses muatan listrik oleh mobil yang lewat di aspal jalan di depan flat saya. Bisa dibayangkan juga proses pengisian yang diakibatkan debu yang terbawa angin dan bersentuhan dengan muka rumah saya.