Elektrostatiske generatorer — enhed, funktionsprincip og anvendelse

Elektrisk ladning — fænomenet, når to modsatte ladninger af samme størrelse ophæves. Hvis to legemer, stærkt ladede med en modsat elektrisk ladning, er i tæt afstand fra hinanden, så springer en gnist mellem dem, og der høres en kort knaldende lyd.

Virkningskraften af ​​et elektrisk ladet legeme på et andet, hvis ladning tages som en enhed, kaldes potentiale. Potentialforskellen er spændingen.

Første måder at få elektriske ladninger og elektrostatiske felter består af friktion af forskellige materialer (pels, uld, silke, læder og andre materialer mod glas, harpiks, gummi etc.). Samtidig var spændingerne og ladningerne ekstremt små. Induktion og akkumulering af ladninger ved mekanisk overførsel muliggjorde en lille stigning i de resulterende spændinger.

For at opnå høje spændinger blev der efterfølgende oprettet kontinuerligt fungerende maskiner med roterende skiver baseret på princippet om elektrostatisk styring (induktion).Disse maskiner gjorde det imidlertid ikke muligt at opnå høj effekt og fandt anvendelse hovedsageligt som enheder i uddannelsesinstitutioners fysikkontorer.

Elektrificering af legemer og elektrostatisk induktion

Beskeden til kroppen af ​​elektriske ladninger kaldes elektrificering… Beskrevet i artiklen Elektrificering af kroppe og interaktion af ladninger processen med dannelse af positive og negative ioner giver en idé om processen med elektrificering af kroppe: den består i overførsel af elektroner fra en krop til en anden.

Kroppens elektriske ladning bestemmes således af overskud eller mangel i kroppen. elektroner… Det er muligt at elektrificere en krop på forskellige måder, hvoraf friktion, kontakt, retning, overførsel af ladning er tekniske.

Den omvendte proces - genoprettelse af kroppens neutrale tilstand (neutralisering) - består i at give det et manglende antal elektroner eller fjerne et overskud af dem fra det.

Under elektrificering ved friktion, hvis der ikke kommunikeres yderligere ladninger til nogen af ​​de kontaktende organer udefra, oplades begge organer med den samme mængde elektricitet af forskellige tegn. Når kroppe er forbundet, neutraliseres deres ladninger fuldstændigt.

På denne måde bliver ladninger ikke skabt eller ødelagt, men kun overført fra en krop til en anden. Dette overbeviser os for eksempel om eksistensen af ​​loven om bevarelse af elektriske ladninger lov om energibevarelse.

Statisk elektricitet — elektrisk ladning i hvile. Opstår som et resultat af friktion mellem to ikke-ledere eller en ikke-leder og metal (f.eks. motordrivremme), men ikke nødvendigvis faste legemer.

Statisk elektricitet kan også opstå fra friktion af visse væsker eller gasser. Mennesker med meget tør hud akkumulerer elektriske ladninger. Under bevægelse (gnidning af fibrene på huden) opstår der en betydelig statisk elektrisk ladning i stoffet, stoffet klæber til kroppen og forhindrer bevægelse.

Statisk elektricitet bliver farlig i brandfarlige og eksplosive miljøer, hvor en enkelt gnist kan antænde en hel masse. I dette tilfælde er det nødvendigt straks at frigive den statiske ladning i jorden eller luften ved hjælp af en metalanordning, hvis ledningsevne kan øges ved befugtning eller bestråling.

Elektrostatisk induktion — forekomsten af ​​elektriske ladninger på ledningen under påvirkning af andre ladninger i nærheden af ​​ledningen (kropselektrificering på afstand).

Under påvirkning af en ekstern ladning induceres (opstår) en ladning i den nærmeste ende af lederen, hvis fortegn er modsat fortegn for ladningen, der virker udefra, og ved den fjerneste ende af lederen, en ladning af samme tegn. I dette tilfælde er begge induktive ladninger lige store, det vil sige, at induktionen kun forårsager en adskillelse af ladninger på ledningen, men ændrer ikke den samlede ladning på ledningen (da summen af ​​de inducerede ladninger er nul).

Størrelsen af ​​de inducerede ladninger og deres placering bestemmes af betingelsen om, at der ikke skal være noget elektrostatisk felt inde i lederen. Derfor er de inducerede ladninger placeret således, at det elektriske felt, de skaber, simpelthen ødelægger feltet inde i ledningen, der skabes af den induktive ladning.

Et eksempel på elektrostatisk induktion: i et uladet elektroskop er både elektriske ladninger, positive og negative, i lige store mængder, og derfor er elektroskopet ikke elektrificeret.

Hvis en glasstav med positiv ladning nærmer sig den, så vil de frie elektroner samtidig blive tiltrukket af den, og den positive ladning af elektroskopet afstødes samtidig.

Den negative ladning er koncentreret tættere på glasstangen, er forbundet til den, mens den positive ladning afvises og derfor er placeret på bagsiden af ​​elektroskopet - den er gratis.

Elektroskopet er nu elektrificeret. Denne tilstand er dog ikke langvarig. Det er værd at fjerne glasstangen, da adskillelsen af ​​ladningen i positiv og negativ overtrædes, elektroskopets neutrale tilstand genoprettes, og dets blade vender tilbage til deres oprindelige position.

Elektroskop — en anordning, med hvilken det er muligt at bestemme, med hvilken ladning kroppen er elektrificeret. Den består af en metalstang med en kugle eller plade i den øverste ende og to frithængende metalplader i bunden. Betjeningen af ​​elektroskopet er baseret på princippet: kroppe af samme navn frastøder hinanden (se — Princippet om elektroskopets drift).

Elektrostatisk induktion er en af ​​årsagerne til lyn i naturen, — den mest kraftfulde og farligste manifestation af atmosfærisk statisk elektricitet.

Lyn Det er en udledning af atmosfærisk elektricitet mellem individuelle dele af skyen, individuelle skyer, skyen og Jorden, fra Jorden til skyen. Med andre ord kan lyn defineres som en elektrisk strøm af kort varighed, en elektrisk gnist, der udligner de elektriske potentialer.

35 Ofte stillede spørgsmål om tordenvejr og lyn

Van de Graaf elektrostatisk generator

Til videnskabelige og tekniske formål (f.eks. i kernefysik, radiobiologi, røntgenterapi, materialeprøvning, fejldetektion osv.) er der behov for enheder, der kan generere spændinger på flere millioner volt.

Sådanne enheder er teknisk avancerede elektrostatiske generatorer med høj jævnspænding. Den mest berømte af dem er Van de Graaf-generatoren, skabt i 1829 af en amerikansk fysiker Robert van de Graaff (1901-1967).

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

Generatoren er en hul metalkugle monteret på en høj hul søjle af isolerende materiale. Kuglens dimensioner og højden af ​​søjlen bestemmes af grænsen for den nødvendige spænding af generatoren (for eksempel for en generator med en spænding på 5 MV når kuglens diameter 5 m). Et endeløst bælte af isolerende materiale (silke, gummi) bevæger sig inde i søjlen, som tjener som transportør til at overføre ladninger til kuglen.

Når du bevæger dig op, løber strimlen i bunden af ​​enheden forbi børsten, der er forbundet til den ene pol på kilden jævnstrøm spænding på omkring 10.000 V (en passende ensretter kan tjene som denne kilde) Ved udformningen af ​​sine første elektrostatiske generatorer brugte Van de Graaf enheden med et vakuumrør.

Van de Graaff elektrostatisk generatorenhed

Fra spidserne af denne børste flyder ladningerne ned på bæltet, som bærer dem inde i bolden, og gennem den anden børste passerer de til den ydre overflade af bolden.For at forbedre processen med at flytte den uladede del af båndet ned, overføres ladningerne fra det modsatte tegn ved hjælp af børster fjernet fra den ladede kugle.

På grund af elektrostatisk induktion opstår der en negativ ladning på børsten, som føres af udledningen til den nedadgående del af bæltet. Denne ladning overføres derefter til børsten og den jordede nedre rulle, hvorigennem den udledes til jorden.

Når båndet fortsætter med at bevæge sig, stiger ladningen på kuglen, indtil den når en forudbestemt tærskelværdi bestemt af kuglens diameter og afstanden fra den til en anden elektrode eller til jord.

Når båndet fortsætter med at bevæge sig, stiger ladningen på kuglen, indtil den når en forudbestemt tærskelværdi bestemt af kuglens diameter og afstanden fra den til en anden elektrode eller til jord.

For at øge spændingen er to sådanne enheder installeret, hvor kuglerne modtager ladninger af modsatte tegn. Så for eksempel, for at opnå en spænding på 10 MV, bruges to generatorer, opladet i forhold til jorden til +5 MV og -5 MV og installeret i en sådan afstand fra hinanden, at muligheden for nedbrud ved en spænding mindre end givet er slået fra.

I øjeblikket er der et stort antal forskellige modeller af elektrostatiske generatorer, inklusive dem, der gentager Van de Graaff-designet. De bruges både til fysiske eksperimenter og som attraktion til underholdning og actiondemonstrationer. statisk elektricitet.

Det er interessant: Triboelektrisk effekt nanogenerator (TENG)