Generatoare electrostatice — dispozitiv, principiu de funcționare și aplicare

Incarcare electrica — fenomenul când două sarcini opuse de mărime egală se anulează. Dacă două corpuri, puternic încărcate cu o sarcină electrică opusă, se află la o distanță apropiată unul de celălalt, atunci o scânteie sare între ele și se aude un sunet scurt.

Forța de acțiune a unui corp încărcat electric asupra altuia, a cărui sarcină este luată ca unitate, se numește potențial. Diferența de potențial este tensiunea.

Primele modalități de a obține sarcini electrice iar câmpurile electrostatice constau din frecarea diferitelor materiale (blană, lână, mătase, piele și alte materiale împotriva sticlei, rășinii, cauciuc etc.). În același timp, tensiunile și încărcările erau extrem de mici. Inducerea și acumularea sarcinilor prin transfer mecanic au făcut posibilă o ușoară creștere a tensiunilor rezultate.

Ulterior, pentru a obține tensiuni înalte, au fost create mașini de funcționare continuu cu discuri rotative bazate pe principiul ghidării electrostatice (inducție).Cu toate acestea, aceste mașini nu au făcut posibilă obținerea unei puteri mari și și-au găsit aplicații în principal ca dispozitive în birourile de fizică ale instituțiilor de învățământ.

Electrificarea corpurilor și inducția electrostatică

Mesajul către corpul sarcinilor electrice este numit electrificare… Descris în articol Electrificarea corpurilor și interacțiunea sarcinilor procesul de formare a ionilor pozitivi și negativi oferă o idee despre procesul de electrificare a corpurilor: constă în transferul de electroni de la un corp la altul.

Astfel sarcina electrică a corpului este determinată de excesul sau deficiența din organism. electroni… Este posibil să electrizați un corp în diferite moduri, dintre care frecarea, contactul, direcția, transferul de sarcină sunt tehnice.

Procesul invers — restabilirea stării neutre a organismului (neutralizare) — constă în a-i da acestuia un număr lipsă de electroni sau în îndepărtarea unui exces al acestora.

În timpul electrificării prin frecare, dacă nu sunt comunicate încărcături suplimentare niciunuia dintre corpurile de contact din exterior, ambele corpuri sunt încărcate cu aceeași cantitate de energie electrică de semne diferite. Când corpurile sunt conectate, sarcinile lor sunt complet neutralizate.

În acest fel, taxele nu sunt create sau distruse, ci doar transferate de la un corp la altul. Acest lucru ne convinge de existența legii conservării sarcinilor electrice, de exemplu legea conservării energiei.

Electricitate statica — sarcină electrică în repaus. Apare ca urmare a frecării dintre doi neconductori sau un neconductor și metal (de exemplu, curele de transmisie a motorului), dar nu neapărat corpuri solide.

Electricitatea statică poate apărea și din frecarea anumitor lichide sau gaze. Persoanele cu pielea foarte uscată acumulează sarcini electrice. În timpul mișcării (frecarea fibrelor de pe piele), în țesătură apare o sarcină electrică statică semnificativă, țesătura aderă la corp și împiedică mișcarea.

Electricitatea statică devine periculoasă în medii inflamabile și explozive în care o singură scânteie poate aprinde o întreagă masă. În acest caz, este necesar să se elibereze imediat sarcina statică în pământ sau în aer prin intermediul unui dispozitiv metalic a cărui conductivitate poate fi crescută prin umidificare sau iradiere.

Inducția electrostatică — apariția sarcinilor electrice pe fir sub influența altor sarcini situate în apropierea firului (electrificarea corpului la distanță).

Sub acțiunea unei sarcini externe, la cel mai apropiat capăt al conductorului este indusă (apare) o sarcină, al cărei semn este opus semnului sarcinii care acționează din exterior, iar la capătul îndepărtat al conductorului, un sarcina de acelasi semn. În acest caz, ambele sarcini inductive sunt egale ca mărime, adică inducția determină doar o separare a sarcinilor pe fir, dar nu modifică sarcina totală pe fir (deoarece suma sarcinilor induse este zero).

Mărimea sarcinilor induse și locația lor sunt determinate de condiția ca în interiorul conductorului să nu existe câmp electrostatic. Prin urmare, sarcinile induse sunt poziționate astfel încât câmpul electric pe care îl creează să distrugă pur și simplu câmpul din interiorul firului care este creat de sarcina inductivă.

Un exemplu de inducție electrostatică: într-un electroscop neîncărcat ambele sarcini electrice, pozitive și negative, sunt în cantități egale și, prin urmare, electroscopul nu este electrificat.

Dacă o tijă de sticlă cu sarcină pozitivă se apropie de el, atunci electronii liberi vor fi simultan atrași de el și sarcina pozitivă a electroscopului va fi respinsă simultan.

Sarcina negativă este concentrată mai aproape de tija de sticlă, este conectată la aceasta, în timp ce sarcina pozitivă este respinsă și, prin urmare, este situată pe partea din spate a electroscopului - este liberă.

Electroscopul este acum electrificat. Cu toate acestea, această stare nu este de lungă durată. Merită să îndepărtați tija de sticlă, deoarece separarea sarcinii în pozitiv și negativ este încălcată, starea neutră a electroscopului este restabilită și frunzele sale revin la poziția inițială.

Electroscop — un dispozitiv cu care se poate determina cu ce sarcină este electrificat corpul. Este alcătuit dintr-o tijă de metal cu o bilă sau o placă la capătul superior și două foi de metal care atârnă liber în partea de jos. Funcționarea electroscopului se bazează pe principiul: corpurile cu același nume se resping reciproc (vezi - Principiul de funcționare al electroscopului).

Inducția electrostatică este una dintre cauzele fulger în natură, — cea mai puternică și periculoasă manifestare a electricității statice atmosferice.

Fulger Este o descărcare de electricitate atmosferică între părți individuale ale norului, nori individuali, nor și Pământ, de la Pământ la nor. Cu alte cuvinte, fulgerul poate fi definit ca un curent electric de scurta durata, o scanteie electrica care egalizeaza potentialele electrice.

35 Întrebări frecvente despre furtuni și fulgere

Generator electrostatic Van de Graaf

În scopuri științifice și tehnice (de exemplu, în fizica nucleară, radiobiologie, terapia cu raze X, testarea materialelor, detectarea defectelor etc.), sunt necesare dispozitive care pot genera tensiuni de câteva milioane de volți.

Astfel de dispozitive sunt generatoare electrostatice avansate din punct de vedere tehnic, cu tensiune continuă ridicată. Cel mai faimos dintre ele este generatorul Van de Graaf, creat în 1829 de un fizician american. Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Generator Van de Graaf (1933) cu o tensiune de 7 megavolți

Generatorul este o bilă metalică goală montată pe o coloană goală înaltă de material izolator. Dimensiunile bilei și înălțimea coloanei sunt determinate de limita tensiunii necesare a generatorului (de exemplu, pentru un generator cu o tensiune de 5 MV, diametrul bilei ajunge la 5 m). O bandă fără sfârșit de material izolator (mătase, cauciuc) se deplasează în interiorul coloanei, care servește ca un transportor pentru transferul sarcinilor către sferă.

Pe măsură ce vă deplasați în sus, banda trece în partea de jos a dispozitivului pe lângă peria conectată la un pol al sursei curent continuu tensiune de aproximativ 10.000 V (un redresor adecvat poate servi drept această sursă).La proiectarea primelor sale generatoare electrostatice, Van de Graaf a folosit dispozitivul cu un tub de vid.

Dispozitiv generator electrostatic Van de Graaff

Din vârfurile acestei perii, încărcăturile curg în jos pe centură, care le poartă în interiorul mingii, iar prin a doua perie trec spre suprafața exterioară a mingii.Pentru a îmbunătăți procesul de deplasare în jos a părții neîncărcate a benzii, se transferă încărcăturile semnului opus, cu ajutorul unor perii îndepărtate din bila încărcată.

Datorită inducției electrostatice, pe perie apare o sarcină negativă, care este transportată de descărcare în partea descendentă a centurii. Această încărcare este apoi transferată periei și rolei inferioare împământate, prin care este descărcată la sol.

Pe măsură ce banda continuă să se miște, sarcina de pe minge crește până când atinge o valoare de prag predeterminată determinată de diametrul mingii și de distanța de la acesta la un alt electrod sau la masă.

Pe măsură ce banda continuă să se miște, sarcina de pe minge crește până când atinge o valoare de prag predeterminată determinată de diametrul mingii și de distanța de la acesta la un alt electrod sau la masă.

Pentru a crește tensiunea, sunt instalate două astfel de dispozitive, în care bilele primesc sarcini de semne opuse. Deci, de exemplu, pentru a obține o tensiune de 10 MV, se folosesc două generatoare, încărcate față de pământ la +5 MV și -5 MV și instalate la o astfel de distanță unul de celălalt încât posibilitatea de avarie la o tensiune mai mică. decât dat este dezactivat.

În prezent, există un număr mare de modele diferite de generatoare electrostatice, inclusiv cele care repetă designul Van de Graaff. Sunt folosite atât pentru experimente fizice, cât și ca atracție pentru divertisment și demonstrații de acțiune. electricitate statica.

Este interesant: Nanogenerator cu efect triboelectric (TENG)