Elektrostatiska generatorer — enhet, funktionsprincip och tillämpning

Elektrisk laddning — fenomenet när två motsatta laddningar av samma storlek avbryts. Om två kroppar, starkt laddade med en motsatt elektrisk laddning, befinner sig på nära avstånd från varandra, så hoppar en gnista mellan dem och ett kort knallande ljud hörs.

Verkningskraften av en elektriskt laddad kropp på en annan, vars laddning tas som en enhet, kallas potential. Potentialskillnaden är spänningen.

Första sätten att få elektriska laddningar och elektrostatiska fält består av friktionen mellan olika material (päls, ull, siden, läder och andra material mot glas, harts, sudd etc.). Samtidigt var spänningarna och laddningarna extremt små. Induktion och ackumulering av laddningar genom mekanisk överföring möjliggjorde en liten ökning av de resulterande spänningarna.

Därefter, för att erhålla höga spänningar, skapades kontinuerligt arbetande maskiner med roterande skivor baserade på principen om elektrostatisk styrning (induktion).Dessa maskiner gjorde det dock inte möjligt att få hög effekt och fann tillämpning huvudsakligen som enheter i fysikkontoren på utbildningsinstitutioner.

Elektrifiering av kroppar och elektrostatisk induktion

Meddelandet till kroppen av elektriska laddningar kallas elektrifiering… Beskrivs i artikeln Elektrifiering av kroppar och interaktion av laddningar processen för bildning av positiva och negativa joner ger en uppfattning om processen för elektrifiering av kroppar: den består i överföring av elektroner från en kropp till en annan.

Således bestäms kroppens elektriska laddning av överskottet eller bristen i kroppen. elektroner… Det är möjligt att elektrifiera en kropp på olika sätt, varav friktion, kontakt, riktning, överföring av laddning är tekniska.

Den omvända processen - återställande av kroppens neutrala tillstånd (neutralisering) - består i att ge den ett saknat antal elektroner eller ta bort ett överskott av dem från det.

Under elektrifiering genom friktion, om inga ytterligare laddningar kommuniceras till någon av kontaktkropparna från utsidan, laddas båda kropparna med samma mängd elektricitet av olika tecken. När kroppar är sammankopplade neutraliseras deras laddningar helt.

På så sätt skapas eller förstörs inte laddningar, utan överförs bara från en kropp till en annan. Detta övertygar oss om existensen av lagen om bevarande av elektriska laddningar, till exempel lagen om energibevarande.

Statisk elektricitet — elektrisk laddning i vila. Uppstår som ett resultat av friktion mellan två icke-ledare eller en icke-ledare och metall (t.ex. motordrivremmar), men inte nödvändigtvis solida kroppar.

Statisk elektricitet kan också uppstå från friktionen av vissa vätskor eller gaser. Människor med mycket torr hud samlar på sig elektriska laddningar. Under rörelse (gnidning av fibrerna på huden) uppstår en betydande statisk elektrisk laddning i tyget, tyget fäster vid kroppen och förhindrar rörelse.

Statisk elektricitet blir farlig i brandfarliga och explosiva miljöer där en enda gnista kan antända en hel massa. I detta fall är det nödvändigt att omedelbart släppa ut den statiska laddningen i marken eller luften med hjälp av någon metallisk anordning vars ledningsförmåga kan ökas genom befuktning eller bestrålning.

Elektrostatisk induktion — Uppkomsten av elektriska laddningar på tråden under påverkan av andra laddningar som finns nära tråden (kroppselektrifiering på avstånd).

Under inverkan av en extern laddning induceras (uppstår) en laddning vid den närmaste änden av ledaren, vars tecken är motsatt tecknet för laddningen som verkar utifrån, och vid den bortre änden av ledaren, en laddning av samma tecken. I det här fallet är båda induktiva laddningarna lika stora, det vill säga induktionen orsakar endast en separation av laddningar på tråden, men ändrar inte den totala laddningen på tråden (eftersom summan av de inducerade laddningarna är noll).

Storleken på de inducerade laddningarna och deras placering bestäms av villkoret att det inte ska finnas något elektrostatiskt fält inuti ledaren. Därför är de inducerade laddningarna placerade så att det elektriska fältet de skapar helt enkelt förstör fältet inuti tråden som skapas av den induktiva laddningen.

Ett exempel på elektrostatisk induktion: i ett oladdat elektroskop är både elektriska laddningar, positiva och negativa, i lika stora mängder och därför är elektroskopet inte elektrifierat.

Om en glasstav med positiv laddning närmar sig den, kommer de fria elektronerna samtidigt att attraheras till den och den positiva laddningen av elektroskopet samtidigt stötas bort.

Den negativa laddningen koncentreras närmare glasstaven, kopplas till den, medan den positiva laddningen stöts bort och därför ligger på baksidan av elektroskopet — den är gratis.

Elektroskopet är nu elektrifierat. Detta tillstånd är dock inte långvarigt. Det är värt att ta bort glasstaven, eftersom separationen av laddningen i positiv och negativ bryts, det neutrala tillståndet hos elektroskopet återställs och dess löv återgår till sin ursprungliga position.

Elektroskop — en anordning med vilken det är möjligt att avgöra med vilken laddning kroppen är elektrifierad. Den består av en metallstav med en kula eller platta i övre änden och två fritt hängande metallplåtar i botten. Funktionen av elektroskopet är baserad på principen: kroppar med samma namn stöter bort varandra (Se — Principen för driften av elektroskopet).

Elektrostatisk induktion är en av orsakerna till blixten i naturen, — den mest kraftfulla och farligaste manifestationen av atmosfärisk statisk elektricitet.

Blixt Det är en urladdning av atmosfärisk elektricitet mellan enskilda delar av molnet, enskilda moln, molnet och jorden, från jorden till molnet. Med andra ord kan blixtar definieras som en elektrisk ström av kort varaktighet, en elektrisk gnista som utjämnar de elektriska potentialerna.

35 Vanliga frågor om åskväder och blixtar

Van de Graaf elektrostatisk generator

För vetenskapliga och tekniska ändamål (till exempel inom kärnfysik, radiobiologi, röntgenterapi, materialtestning, feldetektering etc.) behövs apparater som kan generera spänningar på flera miljoner volt.

Sådana enheter är tekniskt avancerade elektrostatiska generatorer med hög likspänning. Den mest kända av dem är Van de Graaf-generatorn, skapad 1829 av en amerikansk fysiker Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Van de Graaf generator (1933) med en spänning på 7 megavolt

Generatorn är en ihålig metallkula monterad på en hög ihålig pelare av isolerande material. Måtten på bollen och höjden på kolonnen bestäms av gränsen för den erforderliga spänningen för generatorn (till exempel för en generator med en spänning på 5 MV når bollens diameter 5 m). Ett ändlöst bälte av isolerande material (silke, gummi) rör sig inuti kolonnen, som fungerar som en transportör för att överföra laddningar till sfären.

När du rör dig uppåt löper remsan längst ner på enheten förbi borsten som är ansluten till källans ena pol likström spänning på cirka 10 000 V (en lämplig likriktare kan fungera som denna källa). När han designade sina första elektrostatiska generatorer använde Van de Graaf enheten med ett vakuumrör.

Van de Graaff elektrostatisk generatoranordning

Från spetsarna på denna borste flyter laddningarna ner på bältet, som bär dem inuti bollen, och genom den andra borsten passerar de till bollens yttre yta.För att förbättra processen att flytta den oladdade delen av tejpen nedåt överförs laddningarna från det motsatta tecknet med hjälp av borstar som tas bort från den laddade kulan.

På grund av elektrostatisk induktion uppstår en negativ laddning på borsten, som bärs av urladdningen till den nedåtgående delen av bältet. Denna laddning överförs sedan till borsten och den jordade nedre rullen, genom vilken den matas ut till marken.

När bandet fortsätter att röra sig ökar laddningen på kulan tills den når ett förutbestämt tröskelvärde som bestäms av kulans diameter och avståndet från den till en annan elektrod eller till jord.

När bandet fortsätter att röra sig ökar laddningen på kulan tills den når ett förutbestämt tröskelvärde som bestäms av kulans diameter och avståndet från den till en annan elektrod eller till jord.

För att öka spänningen installeras två sådana enheter, där bollarna får laddningar av motsatta tecken. Så, till exempel, för att erhålla en spänning på 10 MV, används två generatorer, laddade i förhållande till marken till +5 MV och -5 MV och installerade på ett sådant avstånd från varandra att möjligheten till genombrott vid en mindre spänning än angivet är avstängd.

För närvarande finns det ett stort antal olika modeller av elektrostatiska generatorer, inklusive de som upprepar Van de Graaff-designen. De används både för fysiska experiment och som attraktion för underhållning och actiondemonstrationer. statisk elektricitet.

Det är intressant: Triboelektrisk effekt nanogenerator (TENG)