Elektrostaatilised generaatorid — seade, tööpõhimõte ja rakendus

Elektrilaeng — nähtus, kui kaks võrdse suurusega vastandlikku laengut tühistavad. Kui kaks keha, mis on tugevalt laetud vastandliku elektrilaenguga, asuvad üksteisest lähedal, hüppab nende vahele säde ja kostab lühike hüppamine.

Elektriliselt laetud keha mõjujõudu teisele, mille laengut võetakse ühikuna, nimetatakse potentsiaaliks. Potentsiaalne erinevus on pinge.

Esimesed viisid saada elektrilaengud ja elektrostaatilised väljad koosnevad erinevate materjalide (karusnahk, vill, siid, nahk ja muud materjalid) hõõrdumisest klaasi, vaigu, kumm jne.). Samas olid pinged ja laengud üliväikesed. Laengute induktsioon ja akumuleerumine mehaanilise ülekande abil võimaldas tekkivaid pingeid veidi tõsta.

Seejärel loodi kõrgepinge saamiseks pidevalt töötavad, elektrostaatilise juhtimise (induktsiooni) põhimõttel põhinevad pöörlevate ketastega masinad.Need masinad ei võimaldanud aga suurt võimsust hankida ja leidsid rakendust peamiselt õppeasutuste füüsikakabinettides.

Kehade elektrifitseerimine ja elektrostaatiline induktsioon

Sõnum elektrilaengute kehale nimetatakse elektrifitseerimine… Kirjeldatud artiklis Kehade elektrifitseerimine ja laengute vastastikmõju positiivsete ja negatiivsete ioonide moodustumise protsess annab aimu kehade elektrifitseerimise protsessist: see seisneb elektronide ülekandmises ühest kehast teise.

Seega määrab keha elektrilaengu liig või puudujääk kehas. elektronid… Keha on võimalik elektrifitseerida mitmel viisil, millest tehniline on hõõrdumine, kontakt, suund, laengu ülekanne.

Pöördprotsess – keha neutraalse oleku taastamine (neutraliseerimine) – seisneb selles, et talle antakse puuduv arv elektrone või eemaldatakse sellest üleliigne hulk elektrone.

Kui hõõrdumise teel elektrifitseerimisel ei edastata väljastpoolt lisalaenguid kummalegi kontaktis olevale kehale, laetakse mõlemat keha sama koguse erineva märgiga elektrienergiaga. Kui kehad on ühendatud, neutraliseeritakse nende laengud täielikult.

Sel viisil laenguid ei tekitata ega hävitata, vaid need kantakse üle ühest kehast teise. See veenab meid näiteks elektrilaengute jäävuse seaduse olemasolus energia jäävuse seadus.

Staatiline elekter — elektrilaeng puhkeolekus. Tekib kahe mittejuhi või mittejuhtiva hõõrdumise ja metalli (nt mootori ajamirihmad), kuid mitte tingimata tahkete kehade vahelise hõõrdumise tulemusena.

Staatiline elekter võib tekkida ka teatud vedelike või gaaside hõõrdumisel. Väga kuiva nahaga inimesed koguvad elektrilaenguid. Liikumisel (kiudude hõõrumine nahale) tekib kangas märkimisväärne staatiline elektrilaeng, kangas kleepub keha külge ja takistab liikumist.

Staatiline elekter muutub ohtlikuks tule- ja plahvatusohtlikus keskkonnas, kus üks säde võib süüdata terve massi. Sel juhul on vaja staatiline laeng koheselt vabastada maasse või õhku mõne metallseadme abil, mille juhtivust saab niisutamise või kiiritamise teel tõsta.

Elektrostaatiline induktsioon — elektrilaengute tekkimine juhtmele teiste juhtme läheduses paiknevate laengute mõjul (keha elektriseerimine eemalt).

Välislaengu toimel indutseeritakse (tekib) juhi lähimas otsas laeng, mille märk on vastupidine väljastpoolt mõjuva laengu märgile ja juhi kaugemas otsas sama märgi laeng. Sel juhul on mõlemad induktiivlaengud suuruselt võrdsed, see tähendab, et induktsioon põhjustab juhtmel ainult laengute eraldumise, kuid ei muuda juhtme kogulaengut (kuna indutseeritud laengute summa on null).

Indutseeritud laengute suuruse ja nende asukoha määrab tingimus, et juhi sees ei tohiks olla elektrostaatilist välja. Seetõttu on indutseeritud laengud paigutatud nii, et nende tekitatav elektriväli lihtsalt hävitab induktiivlaengu poolt tekitatud välja traadi sees.

Näide elektrostaatilisest induktsioonist: laenguta elektroskoobis on nii positiivsed kui negatiivsed elektrilaengud võrdsetes kogustes ja seetõttu elektroskoop ei elektrifitseerita.

Kui sellele läheneb positiivse laenguga klaaspulk, tõmbuvad vabad elektronid samaaegselt selle poole ja elektroskoobi positiivne laeng tõrjutakse samaaegselt.

Negatiivne laeng koondub klaaspulgale lähemale, on sellega ühendatud, positiivne laeng aga tõrjub ja asub seetõttu elektroskoobi tagaküljel — see on vaba.

Elektroskoop on nüüd elektrifitseeritud. See seisund ei ole aga kauakestev. Klaaspulk tasub eemaldada, kuna rikutakse laengu eraldamist positiivseks ja negatiivseks, elektroskoobi neutraalne olek taastub ja selle lehed naasevad algasendisse.

Elektroskoop — seade, millega on võimalik kindlaks teha, millise laenguga keha elektrifitseeritakse. See koosneb metallvardast, mille ülemises otsas on kuul või plaat ja allosas kaks vabalt rippuvat metalllehte. Elektroskoobi töö põhineb põhimõttel: samanimelised kehad tõrjuvad üksteist (vt — Elektroskoobi tööpõhimõte).

Elektrostaatiline induktsioon on üks põhjusi välk looduses, — atmosfääri staatilise elektri võimsaim ja ohtlikum ilming.

Välk See on atmosfääri elektrilahendus pilve üksikute osade, üksikute pilvede, pilve ja Maa vahel, Maast pilve. Teisisõnu võib välku määratleda kui lühiajalist elektrivoolu, elektrilist sädet, mis võrdsustab elektripotentsiaale.

35 korduma kippuvat küsimust äikesetormide ja välgu kohta

Van de Graaf elektrostaatiline generaator

Teaduslikel ja tehnilistel eesmärkidel (näiteks tuumafüüsikas, radiobioloogias, röntgenteraapias, materjalide testimises, vigade tuvastamises jne) on vaja seadmeid, mis suudavad tekitada mitme miljoni volti pinget.

Sellised seadmed on tehniliselt arenenud kõrge alalispingega elektrostaatilised generaatorid. Tuntuim neist on Van de Graafi generaator, mille lõi 1829. aastal Ameerika füüsik. Robert van de Graaff (1901-1967).

Van de Graafi generaator (1933) pingega 7 megavoltist

Generaator on metallist õõnes kuul, mis on paigaldatud kõrgele isoleermaterjalist õõnsale sambale. Kuuli mõõtmed ja samba kõrgus määratakse generaatori nõutava pinge piiriga (näiteks 5 MV pingega generaatoril ulatub kuuli läbimõõt 5 m-ni). Kolonni sees liigub lõputu isoleermaterjalist (siid, kumm) lint, mis toimib konveierina laengute ülekandmisel kerale.

Üles liikudes jookseb riba seadme allosas allika ühe poolusega ühendatud harjast mööda alalisvool pinge umbes 10 000 V (selle allikana võib olla sobiv alaldi). Oma esimeste elektrostaatiliste generaatorite projekteerimisel kasutas Van de Graaf seadet vaakumtoruga.

Van de Graaffi elektrostaatiline generaator

Selle harja otstest voolavad laengud alla lindile, mis kannab need palli sisse ja läbi teise harja liiguvad need palli välispinnale.Lindi laenguta osa allapoole liigutamise protsessi parandamiseks viiakse laetud kuulilt eemaldatud harjade abil üle vastupidise märgi laengud.

Elektrostaatilise induktsiooni tõttu tekib harjale negatiivne laeng, mis kantakse tühjenemisega rihma laskuvasse ossa. See laeng kantakse seejärel harjale ja maandatud alumisele rullile, mille kaudu see maapinnale tühjendatakse.

Kui lint jätkab liikumist, suureneb kuuli laeng, kuni see saavutab etteantud läviväärtuse, mis on määratud kuuli läbimõõduga ja kaugusega sellest teise elektroodi või maapinnani.

Kui lint jätkab liikumist, suureneb kuuli laeng, kuni see saavutab etteantud läviväärtuse, mis on määratud kuuli läbimõõduga ja kaugusega sellest teise elektroodi või maapinnani.

Pinge suurendamiseks paigaldatakse kaks sellist seadet, milles kuulid saavad vastupidise märgi laenguid. Näiteks 10 MV pinge saamiseks kasutatakse kahte generaatorit, mis on maapinna suhtes laetud kuni +5 MV ja -5 MV ning paigaldatud üksteisest sellisele kaugusele, et väiksema pinge korral on rikke võimalus. kui antud on välja lülitatud.

Praegu on olemas suur hulk erinevaid elektrostaatiliste generaatorite mudeleid, sealhulgas neid, mis kordavad Van de Graaffi disaini. Neid kasutatakse nii füüsilisteks katseteks kui ka atraktsiooniks meelelahutuseks ja action-demonstratsioonideks. staatiline elekter.

See on huvitav: Triboelektrilise efektiga nanogeneraator (TENG)