Generatory elektrostatyczne — urządzenie, zasada działania i zastosowanie

Ładunek elektryczny — zjawisko, w którym znoszą się dwa przeciwne ładunki o równej wartości. Jeśli dwa silnie naładowane ciała o przeciwnych ładunkach elektrycznych znajdują się w bliskiej odległości od siebie, to między nimi przeskakuje iskra i słychać krótki trzask.

Nazywa się siłę działania naładowanego elektrycznie ciała na inne, którego ładunek jest traktowany jako jednostka. Różnica potencjałów to napięcie.

Pierwsze sposoby na zdobycie ładunki elektryczne a pola elektrostatyczne polegają na tarciu różnych materiałów (futra, wełny, jedwabiu, skóry i innych materiałów o szkło, żywicę, guma itp.). Jednocześnie napięcia i ładunki były bardzo małe. Indukcja i gromadzenie ładunków na drodze mechanicznego przenoszenia umożliwiły nieznaczny wzrost powstałych napięć.

Następnie w celu uzyskania wysokich napięć powstały maszyny pracujące w sposób ciągły z wirującymi tarczami, działające na zasadzie prowadzenia elektrostatycznego (indukcji).Maszyny te nie pozwalały jednak na uzyskanie dużej mocy i znalazły zastosowanie głównie jako urządzenia w gabinetach fizyki instytucji edukacyjnych.

Elektryfikacja ciał i indukcja elektrostatyczna

Wiadomość do ciała nazywa się ładunkami elektrycznymi elektryfikacja… Opisane w artykule Elektryfikacja ciał i oddziaływanie ładunków proces powstawania jonów dodatnich i ujemnych daje wyobrażenie o procesie elektryfikacji ciał: polega na przenoszeniu elektronów z jednego ciała na drugie.

Tak więc ładunek elektryczny ciała zależy od nadmiaru lub niedoboru w ciele. elektrony… Można naelektryzować ciało na różne sposoby, z których tarcie, kontakt, kierunek, przenoszenie ładunku są techniczne.

Proces odwrotny — przywrócenie organizmu do stanu neutralnego (neutralizacji) — polega na dostarczeniu mu brakującej liczby elektronów lub usunięciu ich nadmiaru.

Podczas elektryzowania przez tarcie, jeśli żadnemu ze stykających się ciał nie zostaną przekazane żadne dodatkowe ładunki z zewnątrz, oba ciała zostaną naładowane taką samą ilością elektryczności o różnych znakach. Kiedy ciała są połączone, ich ładunki są całkowicie neutralizowane.

W ten sposób ładunki nie są tworzone ani niszczone, a jedynie przenoszone z jednego ciała do drugiego. To przekonuje nas na przykład o istnieniu prawa zachowania ładunków elektrycznych prawo zachowania energii.

Elektryczność statyczna — ładunek elektryczny w spoczynku. Występuje w wyniku tarcia między dwoma nieprzewodzącymi materiałami lub nieprzewodzącym a metalem (np. pasami napędowymi silnika), ale niekoniecznie ciałami stałymi.

Elektryczność statyczna może również powstać w wyniku tarcia niektórych cieczy lub gazów. Osoby o bardzo suchej skórze gromadzą ładunki elektryczne. Podczas ruchu (ocierania włókien o skórę) w tkaninie dochodzi do znacznego wyładowania elektrostatycznego, tkanina przylega do ciała i uniemożliwia ruch.

Elektryczność statyczna staje się niebezpieczna w łatwopalnych i wybuchowych środowiskach, gdzie pojedyncza iskra może zapalić całą masę. W takim przypadku konieczne jest natychmiastowe uwolnienie ładunku elektrostatycznego do gruntu lub powietrza za pomocą jakiegoś metalowego urządzenia, którego przewodność można zwiększyć przez nawilżanie lub naświetlanie.

Indukcja elektrostatyczna — pojawienie się ładunków elektrycznych na przewodzie pod wpływem innych ładunków znajdujących się w pobliżu przewodu (elektryfikacja ciała na odległość).

Pod działaniem ładunku zewnętrznego indukowany jest (powstaje) ładunek na najbliższym końcu przewodnika, którego znak jest przeciwny do znaku ładunku działającego z zewnątrz, a na drugim końcu przewodnika ładunek tego samego znaku. W tym przypadku oba ładunki indukcyjne są równe co do wielkości, to znaczy indukcja powoduje jedynie rozdzielenie ładunków na przewodzie, ale nie zmienia całkowitego ładunku na przewodzie (ponieważ suma indukowanych ładunków wynosi zero).

Wielkość indukowanych ładunków i ich położenie są określone przez warunek, że wewnątrz przewodnika nie powinno być pola elektrostatycznego. Dlatego indukowane ładunki są ustawione w taki sposób, że pole elektryczne, które wytwarzają, po prostu niszczy pole wewnątrz drutu, które jest wytwarzane przez ładunek indukcyjny.

Przykład indukcji elektrostatycznej: w nienaładowanym elektroskopie oba ładunki elektryczne, dodatnie i ujemne, są równe, a zatem elektroskop nie jest naelektryzowany.

Jeśli zbliży się do niego szklany pręt o ładunku dodatnim, wówczas swobodne elektrony zostaną do niego jednocześnie przyciągnięte, a dodatni ładunek elektroskopu jednocześnie odepchnięty.

Ładunek ujemny jest skupiony bliżej pręta szklanego, jest z nim połączony, natomiast ładunek dodatni jest odpychany i dlatego znajduje się z tyłu elektroskopu — jest wolny.

Elektroskop jest teraz naelektryzowany. Stan ten nie jest jednak długotrwały. Warto wyjąć szklany pręt, ponieważ zaburzony zostaje rozdział ładunku na dodatni i ujemny, przywracany jest stan neutralny elektroskopu, a jego listki wracają do pierwotnego położenia.

Elektroskop — urządzenie, za pomocą którego można określić, jakim ładunkiem ciało jest naelektryzowane. Składa się z metalowego pręta z kulką lub płytką na górnym końcu i dwóch swobodnie wiszących blach na dole. Działanie elektroskopu opiera się na zasadzie: ciała o tej samej nazwie odpychają się (zob. Zasada działania elektroskopu).

Indukcja elektrostatyczna jest jedną z przyczyn piorun w przyrodzie, — najpotężniejsza i najbardziej niebezpieczna manifestacja atmosferycznej elektryczności statycznej.

Błyskawica Jest to wyładowanie elektryczności atmosferycznej pomiędzy poszczególnymi częściami chmury, poszczególnymi chmurami, chmurą a Ziemią, od Ziemi do chmury. Innymi słowy, piorun można zdefiniować jako krótkotrwały prąd elektryczny, iskrę elektryczną, która wyrównuje potencjały elektryczne.

35 najczęściej zadawanych pytań dotyczących burz i wyładowań atmosferycznych

Generator elektrostatyczny Van de Graafa

Do celów naukowych i technicznych (na przykład w fizyce jądrowej, radiobiologii, radioterapii, testowaniu materiałów, defektoskopii itp.) potrzebne są urządzenia, które mogą generować napięcia rzędu kilku milionów woltów.

Takimi urządzeniami są zaawansowane technicznie generatory elektrostatyczne o wysokim napięciu stałym. Najbardziej znanym z nich jest generator Van de Graafa, stworzony w 1829 roku przez amerykańskiego fizyka Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Generator Van de Graafa (1933) o napięciu 7 megawoltów

Generator to metalowa wydrążona kula zamontowana na wysokiej wydrążonej kolumnie z materiału izolacyjnego. Wymiary kuli i wysokość kolumny są określone przez granicę wymaganego napięcia generatora (na przykład dla generatora o napięciu 5 MV średnica kuli osiąga 5 m). Wewnątrz kolumny porusza się niekończący się pas materiału izolacyjnego (jedwab, guma), który służy jako przenośnik do przenoszenia ładunków na kulę.

W miarę przesuwania się w górę pasek biegnie na dole urządzenia za szczotką podłączoną do jednego bieguna źródła prąd stały napięcie około 10 000 V (jako źródło może posłużyć odpowiedni prostownik).Konstruując swoje pierwsze generatory elektrostatyczne, Van de Graaf wykorzystał to urządzenie z rurką próżniową.

Generator elektrostatyczny Van de Graaffa

Z czubków tej szczotki ładunki spływają na taśmę, która przenosi je do wnętrza kuli, a przez drugą szczotkę przechodzą na zewnętrzną powierzchnię kuli.Aby usprawnić proces przesuwania nienaładowanej części taśmy w dół, ładunki o przeciwnym znaku są przenoszone za pomocą szczotek usuniętych z naładowanej kulki.

Na skutek indukcji elektrostatycznej na szczotce pojawia się ładunek ujemny, który jest przenoszony przez wyładowanie do opadającej części taśmy. Ładunek ten jest następnie przenoszony na szczotkę i uziemiony dolny wałek, przez który jest odprowadzany do podłoża.

Gdy taśma nadal się porusza, ładunek na kulce wzrasta, aż osiągnie z góry określoną wartość progową określoną przez średnicę kulki i odległość od niej do innej elektrody lub do uziemienia.

Gdy taśma nadal się porusza, ładunek na kulce wzrasta, aż osiągnie z góry określoną wartość progową określoną przez średnicę kulki i odległość od niej do innej elektrody lub do uziemienia.

Aby zwiększyć napięcie, instaluje się dwa takie urządzenia, w których kulki otrzymują ładunki o przeciwnych znakach. I tak np. aby uzyskać napięcie 10 MV stosuje się dwa generatory, naładowane względem ziemi do +5 MV i -5 MV i zainstalowane w takiej odległości od siebie, że możliwość przebicia przy napięciu mniejszym niż podany jest wyłączony.

Obecnie istnieje wiele różnych modeli generatorów elektrostatycznych, w tym te, które powtarzają projekt Van de Graaffa. Wykorzystywane są zarówno do eksperymentów fizycznych, jak i jako atrakcja rozrywkowa i pokazy akcji. elektryczność statyczna.

To interesujące: Nanogenerator z efektem tryboelektrycznym (TENG)