Elektrostatiske generatorer — enhet, prinsipp for drift og bruk

Elektrisk ladning — fenomenet når to motsatte ladninger av samme størrelse kansellerer. Hvis to kropper, sterkt ladet med en motsatt elektrisk ladning, er i nær avstand fra hverandre, hopper en gnist mellom dem og en kort knalllyd høres.

Virkningskraften til et elektrisk ladet legeme på et annet, hvis ladning tas som en enhet, kalles potensial. Potensialforskjellen er spenningen.

Første måter å få elektriske ladninger og elektrostatiske felt består av friksjonen mellom forskjellige materialer (pels, ull, silke, lær og andre materialer mot glass, harpiks, gummi etc.). Samtidig var spenningene og ladningene ekstremt små. Induksjon og akkumulering av ladninger ved mekanisk overføring muliggjorde en liten økning i de resulterende spenningene.

Deretter, for å oppnå høye spenninger, ble det opprettet kontinuerlige maskiner med roterende skiver basert på prinsippet om elektrostatisk føring (induksjon).Imidlertid gjorde disse maskinene det ikke mulig å oppnå høy effekt og fant hovedsakelig bruk som enheter i fysikkkontorene til utdanningsinstitusjoner.

Elektrifisering av kropper og elektrostatisk induksjon

Meldingen til kroppen av elektriske ladninger kalles elektrifisering… Beskrevet i artikkelen Elektrifisering av kropper og samhandling av ladninger prosessen med dannelse av positive og negative ioner gir en ide om prosessen med elektrifisering av kropper: den består i overføring av elektroner fra en kropp til en annen.

Dermed bestemmes den elektriske ladningen til kroppen av overskuddet eller mangelen i kroppen. elektroner… Det er mulig å elektrifisere en kropp på ulike måter, hvorav friksjon, kontakt, retning, overføring av ladning er teknisk.

Den omvendte prosessen - gjenoppretting av kroppens nøytrale tilstand (nøytralisering) - består i å gi den et manglende antall elektroner eller fjerne et overskudd av dem fra det.

Under elektrifisering ved friksjon, hvis ingen ekstra ladninger kommuniseres til noen av kontaktlegemene fra utsiden, blir begge legemer ladet med samme mengde elektrisitet av forskjellige tegn. Når kropper kobles sammen, blir ladningene deres fullstendig nøytralisert.

På denne måten blir ikke ladninger opprettet eller ødelagt, men bare overført fra en kropp til en annen. Dette overbeviser oss om eksistensen av loven om bevaring av elektriske ladninger, for eksempel loven om bevaring av energi.

Statisk elektrisitet — elektrisk ladning i hvile. Oppstår som et resultat av friksjon mellom to ikke-ledere eller en ikke-leder og metall (f.eks. motordrivremmer), men ikke nødvendigvis solide legemer.

Statisk elektrisitet kan også oppstå fra friksjon av visse væsker eller gasser. Personer med veldig tørr hud akkumulerer elektriske ladninger. Under bevegelse (gnidning av fibrene på huden) oppstår en betydelig statisk elektrisk ladning i stoffet, stoffet fester seg til kroppen og hindrer bevegelse.

Statisk elektrisitet blir farlig i brennbare og eksplosive miljøer der en enkelt gnist kan antenne en hel masse. I dette tilfellet er det nødvendig å umiddelbart frigjøre den statiske ladningen i bakken eller luften ved hjelp av en metallisk enhet hvis ledningsevne kan økes ved fukting eller bestråling.

Elektrostatisk induksjon — Utseendet til elektriske ladninger på ledningen under påvirkning av andre ladninger i nærheten av ledningen (kroppselektrifisering på avstand).

Under påvirkning av en ekstern ladning induseres (oppstår) en ladning i den nærmeste enden av lederen, hvis fortegn er motsatt av tegnet til ladningen som virker fra utsiden, og ved den fjerneste enden av lederen, en ladning av samme tegn. I dette tilfellet er begge induktive ladninger like store, det vil si at induksjonen bare forårsaker en separasjon av ladninger på ledningen, men endrer ikke den totale ladningen på ledningen (siden summen av de induserte ladningene er null).

Størrelsen på de induserte ladningene og deres plassering bestemmes av betingelsen om at det ikke skal være noe elektrostatisk felt inne i lederen. Derfor er de induserte ladningene plassert slik at det elektriske feltet de skaper ganske enkelt ødelegger feltet inne i ledningen som skapes av den induktive ladningen.

Et eksempel på elektrostatisk induksjon: i et uladet elektroskop er både elektriske ladninger, positive og negative, like store, og derfor er ikke elektroskopet elektrifisert.

Hvis en glassstang med positiv ladning nærmer seg den, vil de frie elektronene samtidig bli tiltrukket av den og den positive ladningen til elektroskopet samtidig frastøtes.

Den negative ladningen konsentreres nærmere glassstangen, kobles til den, mens den positive ladningen frastøtes og er derfor plassert på baksiden av elektroskopet — den er gratis.

Elektroskopet er nå elektrifisert. Denne tilstanden er imidlertid ikke langvarig. Det er verdt å fjerne glassstangen, siden separasjonen av ladningen i positiv og negativ brytes, den nøytrale tilstanden til elektroskopet gjenopprettes og bladene går tilbake til sin opprinnelige posisjon.

Elektroskop — en enhet som det er mulig å bestemme med hvilken ladning kroppen er elektrifisert. Den består av en metallstang med kule eller plate i øvre ende og to fritthengende metallplater nederst. Operasjonen til elektroskopet er basert på prinsippet: kropper med samme navn frastøter hverandre (se — Prinsippet for drift av elektroskopet).

Elektrostatisk induksjon er en av årsakene til lyn i naturen, — den kraftigste og farligste manifestasjonen av atmosfærisk statisk elektrisitet.

Lyn Det er en utladning av atmosfærisk elektrisitet mellom individuelle deler av skyen, individuelle skyer, skyen og jorden, fra jorden til skyen. Lyn kan med andre ord defineres som en elektrisk strøm av kort varighet, en elektrisk gnist som utjevner de elektriske potensialene.

35 Ofte stilte spørsmål om tordenvær og lyn

Van de Graaf elektrostatisk generator

For vitenskapelige og tekniske formål (for eksempel innen kjernefysikk, radiobiologi, røntgenterapi, materialtesting, feildeteksjon, etc.), er det nødvendig med enheter som kan generere spenninger på flere millioner volt.

Slike enheter er teknisk avanserte elektrostatiske generatorer med høy likespenning. Den mest kjente av dem er Van de Graaf-generatoren, opprettet i 1829 av en amerikansk fysiker Robert van de Graaff (1901–1967).

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

Generatoren er en hul metallkule montert på en høy hul søyle av isolerende materiale. Dimensjonene til ballen og høyden på søylen bestemmes av grensen for den nødvendige spenningen til generatoren (for eksempel for en generator med en spenning på 5 MV når kulens diameter 5 m). Et endeløst belte av isolerende materiale (silke, gummi) beveger seg inne i søylen, som fungerer som en transportør for overføring av ladninger til kulen.

Når du beveger deg opp, løper stripen i bunnen av enheten forbi børsten som er koblet til den ene polen på kilden likestrøm spenning på ca. 10 000 V (en egnet likeretter kan tjene som denne kilden) Ved utformingen av sine første elektrostatiske generatorer brukte Van de Graaf enheten med et vakuumrør.

Van de Graaff elektrostatisk generatorenhet

Fra tuppene av denne børsten strømmer ladningene ned på beltet, som bærer dem inne i ballen, og gjennom den andre børsten passerer de til den ytre overflaten av ballen.For å forbedre prosessen med å flytte den uladede delen av båndet ned, overføres ladningene til det motsatte tegnet, ved hjelp av børster fjernet fra den ladede ballen.

På grunn av elektrostatisk induksjon vises en negativ ladning på børsten, som bæres av utladningen til den nedadgående delen av beltet. Denne ladningen overføres deretter til børsten og den jordede nedre valsen, gjennom hvilken den slippes ut til bakken.

Når båndet fortsetter å bevege seg, øker ladningen på kulen til den når en forhåndsbestemt terskelverdi bestemt av kulens diameter og avstanden fra den til en annen elektrode eller til jord.

Når båndet fortsetter å bevege seg, øker ladningen på kulen til den når en forhåndsbestemt terskelverdi bestemt av kulens diameter og avstanden fra den til en annen elektrode eller til jord.

For å øke spenningen er to slike enheter installert, der ballene mottar ladninger med motsatte fortegn. Så, for eksempel, for å oppnå en spenning på 10 MV, brukes to generatorer, ladet i forhold til bakken til +5 MV og -5 MV og installert i en slik avstand fra hverandre at muligheten for sammenbrudd ved en spenning mindre enn gitt er slått av.

For tiden er det et stort antall forskjellige modeller av elektrostatiske generatorer, inkludert de som gjentar Van de Graaff-designet. De brukes både til fysiske eksperimenter og som en attraksjon for underholdning og actiondemonstrasjoner. statisk elektrisitet.

Det er interessant: Triboelektrisk effekt nanogenerator (TENG)