Ηλεκτροστατικές γεννήτριες — συσκευή, αρχή λειτουργίας και εφαρμογή

Ηλεκτρικό φορτίο — το φαινόμενο όταν δύο αντίθετα φορτία ίσου μεγέθους ακυρώνονται. Εάν δύο σώματα, ισχυρά φορτισμένα με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο, βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, τότε ένας σπινθήρας αναπηδά ανάμεσά τους και ακούγεται ένας σύντομος ήχος που σκάει.

Η δύναμη δράσης ενός ηλεκτρικά φορτισμένου σώματος σε ένα άλλο, του οποίου το φορτίο λαμβάνεται ως μονάδα, ονομάζεται δυναμικό. Η διαφορά δυναμικού είναι η τάση.

Πρώτοι τρόποι για να αποκτήσετε ηλεκτρικά φορτία και τα ηλεκτροστατικά πεδία αποτελούνται από την τριβή διαφόρων υλικών (γούνα, μαλλί, μετάξι, δέρμα και άλλα υλικά έναντι γυαλιού, ρητίνης, καουτσούκ και τα λοιπά.). Ταυτόχρονα, οι τάσεις και οι φορτίσεις ήταν εξαιρετικά μικρές. Η επαγωγή και η συσσώρευση φορτίων με μηχανική μεταφορά κατέστησαν δυνατή μια ελαφρά αύξηση των τάσεων που προέκυψαν.

Στη συνέχεια, για την απόκτηση υψηλών τάσεων, δημιουργήθηκαν μηχανές συνεχούς λειτουργίας με περιστρεφόμενους δίσκους με βάση την αρχή της ηλεκτροστατικής καθοδήγησης (επαγωγή).Ωστόσο, αυτές οι μηχανές δεν κατέστησαν δυνατή την απόκτηση υψηλής ισχύος και βρήκαν εφαρμογή κυρίως ως συσκευές στα γραφεία φυσικής των εκπαιδευτικών ιδρυμάτων.

Ηλεκτρισμός σωμάτων και ηλεκτροστατική επαγωγή

Το μήνυμα προς το σώμα των ηλεκτρικών φορτίων ονομάζεται εξηλεκτρισμός… Περιγράφεται στο άρθρο Ηλεκτρισμός σωμάτων και αλληλεπίδραση φορτίων η διαδικασία σχηματισμού θετικών και αρνητικών ιόντων δίνει μια ιδέα για τη διαδικασία ηλεκτρισμού των σωμάτων: συνίσταται στη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα σώμα στο άλλο.

Έτσι το ηλεκτρικό φορτίο του σώματος καθορίζεται από την περίσσεια ή την ανεπάρκεια στο σώμα. ηλεκτρόνια… Είναι δυνατός ο ηλεκτρισμός ενός σώματος με διάφορους τρόπους, από τους οποίους η τριβή, η επαφή, η κατεύθυνση, η μεταφορά φορτίου είναι τεχνικοί.

Η αντίστροφη διαδικασία — αποκατάσταση της ουδέτερης κατάστασης του σώματος (εξουδετέρωση) — συνίσταται στο να του δοθεί ένας αριθμός ηλεκτρονίων που λείπει ή να αφαιρεθεί μια περίσσεια από αυτά.

Κατά την ηλεκτροδότηση με τριβή, εάν δεν κοινοποιηθούν πρόσθετα φορτία σε κανένα από τα σώματα που έρχονται σε επαφή από το εξωτερικό, και τα δύο σώματα φορτίζονται με την ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας διαφορετικών σημάτων. Όταν τα σώματα συνδέονται, τα φορτία τους εξουδετερώνονται πλήρως.

Με αυτόν τον τρόπο δεν δημιουργούνται ούτε καταστρέφονται φορτία, αλλά μόνο μεταφέρονται από το ένα σώμα στο άλλο. Αυτό μας πείθει για την ύπαρξη του νόμου της διατήρησης των ηλεκτρικών φορτίων, για παράδειγμα νόμος διατήρησης της ενέργειας.

ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ — ηλεκτρικό φορτίο σε ηρεμία. Εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της τριβής μεταξύ δύο μη αγωγών ή ενός μη αγωγού και μετάλλου (π.χ. ιμάντες κίνησης κινητήρα), αλλά όχι απαραίτητα στερεά σώματα.

Ο στατικός ηλεκτρισμός μπορεί επίσης να προκύψει από την τριβή ορισμένων υγρών ή αερίων. Τα άτομα με πολύ ξηρό δέρμα συσσωρεύουν ηλεκτρικά φορτία. Κατά τη διάρκεια της κίνησης (τρίψιμο των ινών στο δέρμα), εμφανίζεται ένα σημαντικό στατικό ηλεκτρικό φορτίο στο ύφασμα, το ύφασμα προσκολλάται στο σώμα και εμποδίζει την κίνηση.

Ο στατικός ηλεκτρισμός γίνεται επικίνδυνος σε εύφλεκτα και εκρηκτικά περιβάλλοντα όπου ένας μόνο σπινθήρας μπορεί να αναφλέξει μια ολόκληρη μάζα. Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να απελευθερωθεί αμέσως το στατικό φορτίο στο έδαφος ή στον αέρα μέσω κάποιας μεταλλικής συσκευής της οποίας η αγωγιμότητα μπορεί να αυξηθεί με ύγρανση ή ακτινοβόληση.

Ηλεκτροστατική επαγωγή — η εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων στο καλώδιο υπό την επίδραση άλλων φορτίων που βρίσκονται κοντά στο καλώδιο (ηλεκτρισμός σώματος σε απόσταση).

Υπό τη δράση ενός εξωτερικού φορτίου, προκαλείται (προκύπτει) ένα φορτίο στο πλησιέστερο άκρο του αγωγού, το πρόσημο του οποίου είναι αντίθετο από το πρόσημο του φορτίου που ενεργεί από το εξωτερικό, και στο μακρινό άκρο του αγωγού, χρέωση του ίδιου σημείου. Σε αυτήν την περίπτωση, και τα δύο επαγωγικά φορτία είναι ίσα σε μέγεθος, δηλαδή, η επαγωγή προκαλεί μόνο διαχωρισμό των φορτίων στο καλώδιο, αλλά δεν αλλάζει το συνολικό φορτίο στο καλώδιο (καθώς το άθροισμα των επαγόμενων φορτίων είναι μηδέν).

Το μέγεθος των επαγόμενων φορτίων και η θέση τους καθορίζονται από την προϋπόθεση ότι δεν πρέπει να υπάρχει ηλεκτροστατικό πεδίο μέσα στον αγωγό. Επομένως, τα επαγόμενα φορτία τοποθετούνται έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργούν απλώς να καταστρέφει το πεδίο μέσα στο σύρμα που δημιουργείται από το επαγωγικό φορτίο.

Ένα παράδειγμα ηλεκτροστατικής επαγωγής: σε ένα μη φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο και τα δύο ηλεκτρικά φορτία, θετικά και αρνητικά, είναι σε ίσες ποσότητες και επομένως το ηλεκτροσκόπιο δεν ηλεκτρίζεται.

Εάν μια γυάλινη ράβδος με θετικό φορτίο την πλησιάσει, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα έλκονται ταυτόχρονα προς αυτήν και το θετικό φορτίο του ηλεκτροσκοπίου ταυτόχρονα θα απωθείται.

Το αρνητικό φορτίο συγκεντρώνεται πιο κοντά στη γυάλινη ράβδο, συνδέεται με αυτήν, ενώ το θετικό φορτίο απωθείται και επομένως βρίσκεται στην πίσω πλευρά του ηλεκτροσκοπίου — είναι ελεύθερο.

Το ηλεκτροσκόπιο είναι πλέον ηλεκτρισμένο. Ωστόσο, αυτή η κατάσταση δεν είναι μακροχρόνια. Αξίζει να αφαιρέσετε τη γυάλινη ράβδο, καθώς παραβιάζεται ο διαχωρισμός του φορτίου σε θετικό και αρνητικό, αποκαθίσταται η ουδέτερη κατάσταση του ηλεκτροσκοπίου και τα φύλλα του επιστρέφουν στην αρχική τους θέση.

Ηλεκτροσκόπιο — συσκευή με την οποία είναι δυνατό να προσδιοριστεί με ποιο φορτίο ηλεκτρίζεται το σώμα. Αποτελείται από μια μεταλλική ράβδο με μια μπάλα ή πλάκα στο επάνω άκρο και δύο ελεύθερα κρεμαστά μεταλλικά φύλλα στο κάτω μέρος. Η λειτουργία του ηλεκτροσκοπίου βασίζεται στην αρχή: τα σώματα με το ίδιο όνομα απωθούνται μεταξύ τους (Βλ. Η αρχή της λειτουργίας του ηλεκτροσκοπίου).

Η ηλεκτροστατική επαγωγή είναι μία από τις αιτίες της αστραπή στη φύση, — η πιο ισχυρή και επικίνδυνη εκδήλωση ατμοσφαιρικού στατικού ηλεκτρισμού.

Αστραπή Είναι μια εκκένωση ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού μεταξύ επιμέρους τμημάτων του νέφους, μεμονωμένων νεφών, του νέφους και της Γης, από τη Γη στο σύννεφο. Με άλλα λόγια, ο κεραυνός μπορεί να οριστεί ως ένα ηλεκτρικό ρεύμα μικρής διάρκειας, ένας ηλεκτρικός σπινθήρας που εξισώνει τα ηλεκτρικά δυναμικά.

35 Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τις καταιγίδες και τους κεραυνούς

Ηλεκτροστατική γεννήτρια Van de Graaf

Για επιστημονικούς και τεχνικούς σκοπούς (για παράδειγμα, στην πυρηνική φυσική, ραδιοβιολογία, ακτινοθεραπεία, δοκιμές υλικών, ανίχνευση ελαττωμάτων κ.λπ.), χρειάζονται συσκευές που μπορούν να παράγουν τάσεις πολλών εκατομμυρίων βολτ.

Τέτοιες συσκευές είναι τεχνικά προηγμένες ηλεκτροστατικές γεννήτριες με υψηλή άμεση τάση. Η πιο διάσημη από αυτές είναι η γεννήτρια Van de Graaf, που δημιουργήθηκε το 1829 από έναν Αμερικανό φυσικό Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Γεννήτρια Van de Graaf (1933) με τάση 7 megavolt

Η γεννήτρια είναι μια μεταλλική κούφια σφαίρα τοποθετημένη σε μια ψηλή κοίλη στήλη μονωτικού υλικού. Οι διαστάσεις της σφαίρας και το ύψος της στήλης καθορίζονται από το όριο της απαιτούμενης τάσης της γεννήτριας (για παράδειγμα, για μια γεννήτρια με τάση 5 MV, η διάμετρος της σφαίρας φτάνει τα 5 m). Ένας ατελείωτος ιμάντας από μονωτικό υλικό (μετάξι, καουτσούκ) κινείται μέσα στη στήλη, ο οποίος χρησιμεύει ως μεταφορέας για τη μεταφορά φορτίων στη σφαίρα.

Καθώς ανεβαίνετε προς τα πάνω, η λωρίδα περνάει στο κάτω μέρος της συσκευής πέρα ​​από τη βούρτσα που είναι συνδεδεμένη σε έναν πόλο της πηγής συνεχές ρεύμα τάση περίπου 10.000 V (ένας κατάλληλος ανορθωτής μπορεί να χρησιμεύσει ως πηγή).Στο σχεδιασμό των πρώτων ηλεκτροστατικών γεννήτριών του, ο Van de Graaf χρησιμοποίησε τη συσκευή με σωλήνα κενού.

Συσκευή ηλεκτροστατικής γεννήτριας Van de Graaff

Από τις άκρες αυτής της βούρτσας, τα φορτία ρέουν προς τα κάτω στη ζώνη, η οποία τα μεταφέρει μέσα στη μπάλα και μέσω της δεύτερης βούρτσας περνούν στην εξωτερική επιφάνεια της μπάλας.Για να βελτιωθεί η διαδικασία μετακίνησης του αφόρτιτου τμήματος της ταινίας προς τα κάτω, μεταφέρονται τα φορτία του αντίθετου σημείου, με τη βοήθεια βουρτσών που αφαιρούνται από τη φορτισμένη μπάλα.

Λόγω της ηλεκτροστατικής επαγωγής, εμφανίζεται ένα αρνητικό φορτίο στη βούρτσα, το οποίο μεταφέρεται από την εκκένωση στο κατερχόμενο τμήμα του ιμάντα. Αυτό το φορτίο στη συνέχεια μεταφέρεται στη βούρτσα και στο γειωμένο κάτω ρολό, μέσω του οποίου εκκενώνεται στο έδαφος.

Καθώς η ταινία συνεχίζει να κινείται, το φορτίο της μπάλας αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε μια προκαθορισμένη τιμή κατωφλίου που καθορίζεται από τη διάμετρο της μπάλας και την απόσταση από αυτήν σε άλλο ηλεκτρόδιο ή στη γείωση.

Καθώς η ταινία συνεχίζει να κινείται, το φορτίο της μπάλας αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε μια προκαθορισμένη τιμή κατωφλίου που καθορίζεται από τη διάμετρο της μπάλας και την απόσταση από αυτήν σε άλλο ηλεκτρόδιο ή στη γείωση.

Για να αυξηθεί η τάση, εγκαθίστανται δύο τέτοιες συσκευές, στις οποίες οι μπάλες λαμβάνουν φορτία αντίθετων σημάτων. Έτσι, για παράδειγμα, για να ληφθεί τάση 10 MV, χρησιμοποιούνται δύο γεννήτριες, φορτισμένες ως προς το έδαφος σε +5 MV και -5 MV και εγκατεστημένες σε τέτοια απόσταση μεταξύ τους ώστε να υπάρχει πιθανότητα βλάβης σε τάση μικρότερη από το δεδομένο Είναι απενεργοποιημένο.

Επί του παρόντος, υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών μοντέλων ηλεκτροστατικών γεννητριών, συμπεριλαμβανομένων αυτών που επαναλαμβάνουν το σχέδιο Van de Graaff. Χρησιμοποιούνται τόσο για σωματικά πειράματα όσο και ως πόλο έλξης για ψυχαγωγία και επιδείξεις δράσης. ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ.

Είναι ενδιαφέρον: Νανογεννήτρια Triboelectric effect (TENG)