Електростатични генератори — устройство, принцип на действие и приложение

Електрически заряд — явлението, когато два противоположни заряда с еднаква величина се отменят. Ако две тела, силно заредени с противоположен електрически заряд, са на близко разстояние едно от друго, тогава между тях прескача искра и се чува кратък пукащ звук.

Силата на действие на електрически заредено тяло върху друго, чийто заряд се приема като единица, се нарича потенциал. Потенциалната разлика е напрежението.

Първи начини за получаване електрически заряди и електростатичните полета се състоят в триене на различни материали (козина, вълна, коприна, кожа и други материали срещу стъкло, смола, каучук и т.н.). В същото време напреженията и зарядите бяха изключително малки. Индукцията и натрупването на заряди чрез механично прехвърляне направи възможно леко увеличаване на получените напрежения.

Впоследствие, за да се получат високи напрежения, бяха създадени непрекъснато работещи машини с въртящи се дискове, базирани на принципа на електростатично насочване (индукция). Тези машини обаче не направиха възможно получаването на висока мощност и намериха приложение главно като устройства в кабинетите по физика на образователните институции.

Електризация на тела и електростатична индукция

Извиква се съобщението до тялото на електрически заряди електрификация… Описано в статията Електризация на тела и взаимодействие на заряди процесът на образуване на положителни и отрицателни йони дава представа за процеса на електризация на телата: той се състои в прехвърляне на електрони от едно тяло в друго.

По този начин електрическият заряд на тялото се определя от излишъка или недостатъка в тялото. електрони… Възможно е да се електрифицира тяло по различни начини, от които триенето, контактът, насочването, прехвърлянето на заряд са технически.

Обратният процес — възстановяване на неутралното състояние на тялото (неутрализация) — се състои в това да му се даде липсващ брой електрони или да се премахне излишък от тях от него.

По време на електрификация чрез триене, ако не се съобщават допълнителни такси на някое от контактуващите тела отвън, и двете тела се зареждат със същото количество електричество с различни знаци. Когато телата са свързани, техните заряди са напълно неутрализирани.

По този начин таксите не се създават или унищожават, а само се прехвърлят от едно тяло в друго. Това ни убеждава в съществуването на закона за запазване на електрическите заряди, например закон за съхранение на енергия.

Статично електричество — електрически заряд в покой. Възниква в резултат на триене между два непроводника или непроводник и метал (например ремъци за задвижване на електродвигател), но не непременно твърди тела.

Статичното електричество може да възникне и от триенето на определени течности или газове. Хората с много суха кожа натрупват електрически заряди. При движение (триене на влакната по кожата) в тъканта възниква значителен статичен електрически заряд, тъканта се прилепва към тялото и пречи на движението.

Статичното електричество става опасно в запалима и експлозивна среда, където една искра може да запали цяла маса. В този случай е необходимо незабавно да се освободи статичният заряд в земята или въздуха с помощта на някакво метално устройство, чиято проводимост може да се увеличи чрез овлажняване или облъчване.

Електростатична индукция — появата на електрически заряди върху проводника под въздействието на други заряди, разположени близо до проводника (електрификация на тялото на разстояние).

Под действието на външен заряд в най -близкия край на проводника се предизвиква (възниква) заряд, чийто знак е противоположен на знака на заряда, действащ отвън, а в далечния край на проводника, a такса за същия знак. В този случай и двата индуктивни заряда са равни по големина, тоест индукцията причинява само разделяне на зарядите върху проводника, но не променя общия заряд на проводника (тъй като сумата от индуцираните заряди е нула).

Величината на индуцираните заряди и тяхното местоположение се определят от условието, че не трябва да има електростатично поле вътре в проводника. Следователно индуцираните заряди са разположени така, че създаваното от тях електрическо поле просто унищожава полето вътре в проводника, което се създава от индуктивния заряд.

Пример за електростатична индукция: в незаряден електроскоп и двата електрически заряда, положителни и отрицателни, са в равни количества и следователно електроскопът не е електрифициран.

Ако стъклен прът с положителен заряд се доближи до него, тогава свободните електрони едновременно ще бъдат привлечени към него и положителният заряд на електроскопа едновременно се отблъсква.

Отрицателният заряд е концентриран по -близо до стъкления прът, свързан е с него, докато положителният се отблъсква и следователно се намира от задната страна на електроскопа — той е свободен.

Сега електроскопът е електрифициран. Това състояние обаче не е дълготрайно. Струва си да премахнете стъкления прът, тъй като разделянето на заряда на положителен и отрицателен е нарушено, неутралното състояние на електроскопа се възстановява и листата му се връщат в първоначалното си положение.

Електроскоп — устройство, с което е възможно да се установи с какъв заряд е електрифицирано тялото. Състои се от метален прът с топка или плоча в горния край и две свободно висящи метални листа в долната част. Действието на електроскопа се основава на принципа: едноименните тела се отблъскват (Виж — Принципът на действие на електроскопа).

Електростатичната индукция е една от причините за мълния в природата, — най -мощното и опасно проявление на атмосферното статично електричество.

Мълния Това е разряд на атмосферно електричество между отделни части на облака, отделни облаци, облака и Земята, от Земята до облака. С други думи, мълнията може да бъде определена като електрически ток с кратка продължителност, електрическа искра, която изравнява електрическите потенциали.

35 Често задавани въпроси относно гръмотевични бури и мълнии

Електростатичен генератор на Ван де Грааф

За научни и технически цели (например в ядрената физика, радиобиология, рентгенова терапия, тестване на материали, дефектоскопия и др.) Са необходими устройства, които могат да генерират напрежения от няколко милиона волта.

Такива устройства са технически усъвършенствани електростатични генератори с високо постоянно напрежение. Най -известният от тях е генераторът на Ван де Грааф, създаден през 1829 г. от американски физик Робърт ван де Грааф (1901 — 1967).

Генератор ван де Грааф (1933) с напрежение 7 мегаволта

Генераторът е метална куха топка, монтирана върху висока куха колона от изолационен материал. Размерите на топката и височината на колоната се определят от границата на необходимото напрежение на генератора (например за генератор с напрежение 5 MV, диаметърът на топката достига 5 m). Вътре в колоната се движи безкраен колан от изолационен материал (коприна, каучук), който служи като транспортьор за прехвърляне на заряди към сферата.

Когато се движите нагоре, лентата преминава в долната част на устройството покрай четката, свързана към единия полюс на източника постоянен ток напрежение от около 10 000 V (подходящ токоизправител може да служи като този източник).При проектирането на първите си електростатични генератори Ван де Грааф използва устройството с вакуумна тръба.

Устройство за електростатичен генератор на Ван де Грааф

От върховете на тази четка зарядите се стичат надолу върху лентата, която ги пренася вътре в топката, а през втората четка преминават към външната повърхност на топката. За да се подобри процесът на движение на ненатоварената част на лентата надолу, зарядите от противоположния знак се прехвърлят, с помощта на четки, отстранени от заредената топка.

Поради електростатична индукция върху четката се появява отрицателен заряд, който се пренася от изтичането към низходящата част на колана. След това този заряд се прехвърля върху четката и заземената долна ролка, през която се изхвърля на земята.

С непрекъснатото движение на лентата, зарядът на топката се увеличава, докато достигне предварително определена гранична стойност, определена от диаметъра на топката и разстоянието от нея до друг електрод или до земята.

С непрекъснатото движение на лентата, зарядът на топката се увеличава, докато достигне предварително определена гранична стойност, определена от диаметъра на топката и разстоянието от нея до друг електрод или до земята.

За да се увеличи напрежението, са монтирани две такива устройства, в които топките получават заряди с противоположни знаци. Така например, за да се получи напрежение от 10 MV, се използват два генератора, заредени по отношение на земята до +5 MV и -5 MV и инсталирани на такова разстояние един от друг, че възможността за пробив при напрежение по -малко отколкото даден е изключен.

В момента има голям брой различни модели електростатични генератори, включително тези, които повтарят дизайна на Van de Graaff. Те се използват както за физически експерименти, така и като атракция за забавление и демонстрации на действие. статично електричество.

Интересно е: Наногенератор с трибоелектричен ефект (TENG)