Elektrostatiniai generatoriai — įrenginys, veikimo principas ir pritaikymas
Elektros krūvis — reiškinys, kai panaikinami du priešingi vienodo dydžio krūviai. Jei du kūnai, stipriai įkrauti priešingu elektros krūviu, yra arti vienas nuo kito, tada tarp jų šokinėja kibirkštis ir pasigirsta trumpas spragtelėjimas.
Elektra įkrauto kūno, kurio krūvis laikomas vienetu, veikimo jėga vadinama potencialu. Potencialų skirtumas yra įtampa.
Pirmieji būdai gauti elektros krūviai o elektrostatinius laukus sudaro įvairių medžiagų (kailio, vilnos, šilko, odos ir kitų medžiagų) trintis prieš stiklą, dervą, gumos ir tt). Tuo pačiu metu įtampa ir krūviai buvo labai maži. Krūvių indukcija ir kaupimas mechaninio perdavimo būdu leido šiek tiek padidinti gaunamas įtampas.
Vėliau, norint gauti aukštą įtampą, buvo sukurtos nuolat veikiančios mašinos su besisukančiais diskais, pagrįstos elektrostatinio valdymo (indukcijos) principu.Tačiau šios mašinos neleido gauti didelės galios ir buvo pritaikytos daugiausia kaip įrenginiai švietimo įstaigų fizikos kabinetuose.
Kūnų elektrifikavimas ir elektrostatinė indukcija
Pranešimas kūnui apie elektros krūvius vadinamas elektrifikavimas… Aprašyta straipsnyje Kūnų elektrifikacija ir krūvių sąveika teigiamų ir neigiamų jonų susidarymo procesas suteikia idėją apie kūnų elektrifikacijos procesą: jis susideda iš elektronų perkėlimo iš vieno kūno į kitą.
Taigi kūno elektros krūvį lemia perteklius arba trūkumas organizme. elektronų… Įelektrinti kūną galima įvairiais būdais, iš kurių trintis, kontaktas, kryptis, krūvio perdavimas yra techniniai.
Atvirkštinis procesas – organizmo neutralios būsenos atkūrimas (neutralizavimas) – tai jam suteikiamas trūkstamas elektronų skaičius arba pašalinamas iš jo perteklius.
Elektrifikuojant trinties būdu, jei iš išorės nėra pranešama apie papildomus krūvius nei vienam iš besiliečiančių kūnų, abu kūnai įkraunami vienodu skirtingų ženklų elektros energijos kiekiu. Kai kūnai yra sujungti, jų krūviai visiškai neutralizuojami.
Tokiu būdu krūviai nesukuriami ir nesunaikinami, o tik perkeliami iš vieno kūno į kitą. Tai mus įtikina, pavyzdžiui, elektros krūvių tvermės dėsnio egzistavimu energijos tvermės dėsnis.
Statinė elektra — elektros krūvis ramybės būsenoje. Atsiranda dėl trinties tarp dviejų nelaidininkų arba nelaidžio ir metalo (pvz., variklio pavaros diržų), bet nebūtinai kietų kūnų.
Statinė elektra taip pat gali atsirasti dėl tam tikrų skysčių ar dujų trinties. Žmonės, kurių oda labai sausa, kaupia elektros krūvius. Judėjimo metu (pluoštų trynimas ant odos) audinyje atsiranda didelis statinis elektros krūvis, audinys prilimpa prie kūno ir neleidžia judėti.
Statinė elektra tampa pavojinga degioje ir sprogioje aplinkoje, kur viena kibirkštis gali uždegti visą masę. Tokiu atveju būtina nedelsiant išleisti statinį krūvį į žemę ar orą tam tikru metaliniu įtaisu, kurio laidumą galima padidinti drėkinant ar švitinant.
Elektrostatinė indukcija — elektros krūvių atsiradimas ant laido, veikiant kitiems šalia laido esantiems krūviams (kūno elektrifikacija per atstumą).
Veikiant išoriniam krūviui, artimiausiame laidininko gale indukuojamas (kyla) krūvis, kurio ženklas yra priešingas iš išorės veikiančio krūvio ženklui, o tolimajame laidininko gale – a. to paties ženklo krūvis. Šiuo atveju abu indukciniai krūviai yra vienodo dydžio, tai yra, indukcija sukelia tik laido krūvių atskyrimą, bet nekeičia bendro laido krūvio (nes indukuotų krūvių suma lygi nuliui).
Indukuojamų krūvių dydį ir jų vietą lemia sąlyga, kad laidininko viduje neturi būti elektrostatinio lauko. Todėl indukuoti krūviai yra išdėstyti taip, kad jų sukuriamas elektrinis laukas tiesiog sunaikintų indukcinio krūvio sukuriamą lauką laido viduje.
Elektrostatinės indukcijos pavyzdys: neįkrautame elektroskope tiek teigiami, tiek neigiami elektros krūviai yra vienodi, todėl elektroskopas nėra elektrifikuotas.
Jei prie jo priartėja stiklinis strypas su teigiamu krūviu, tai laisvieji elektronai tuo pačiu metu bus pritraukti ir teigiamas elektroskopo krūvis bus atstumtas.
Neigiamas krūvis koncentruojamas arčiau stiklo strypo, yra prijungtas prie jo, o teigiamas krūvis yra atstumtas, todėl yra galinėje elektroskopo pusėje - jis yra laisvas.
Dabar elektroskopas elektrifikuotas. Tačiau tokia būsena nėra ilgalaikė. Verta nuimti stiklinį strypą, nes pažeidžiamas krūvio atskyrimas į teigiamą ir neigiamą, atkuriama neutrali elektroskopo būsena ir jo lapai grįžta į pradinę padėtį.
Elektroskopas — prietaisas, kuriuo galima nustatyti, kokiu krūviu įelektrinamas kūnas. Jį sudaro metalinis strypas, kurio viršuje yra rutulys arba plokštė, o apačioje - du laisvai kabantys metaliniai lakštai. Elektroskopo veikimas grindžiamas principu: to paties pavadinimo kūnai atstumia vienas kitą (žr. Elektroskopo veikimo principas).
Viena iš priežasčių yra elektrostatinė indukcija žaibas gamtoje, – galingiausia ir pavojingiausia atmosferos statinės elektros apraiška.
Žaibas Tai atmosferos elektros iškrova tarp atskirų debesies dalių, atskirų debesų, debesies ir Žemės, iš Žemės į debesį. Kitaip tariant, žaibą galima apibrėžti kaip trumpalaikę elektros srovę, elektros kibirkštį, kuri išlygina elektrinius potencialus.
35 dažniausiai užduodami klausimai apie perkūniją ir žaibus
Van de Graaf elektrostatinis generatorius
Moksliniais ir techniniais tikslais (pavyzdžiui, branduolinėje fizikoje, radiobiologijoje, rentgeno terapijoje, medžiagų tyrimuose, defektų aptikimui ir kt.) reikalingi prietaisai, galintys generuoti kelių milijonų voltų įtampą.
Tokie prietaisai yra techniškai pažangūs elektrostatiniai generatoriai su aukšta nuolatine įtampa. Garsiausias iš jų yra Van de Graaf generatorius, kurį 1829 metais sukūrė amerikiečių fizikas. Robertas van de Graaffas (1901–1967).
Van de Graaf generatorius (1933 m.), kurio įtampa 7 megavoltai
Generatorius yra metalinis tuščiaviduris rutulys, sumontuotas ant aukštos tuščiavidurės izoliacinės medžiagos kolonos. Rutulio matmenys ir kolonėlės aukštis nustatomi pagal generatoriaus reikalingos įtampos ribą (pavyzdžiui, generatoriui, kurio įtampa 5 MV, rutulio skersmuo siekia 5 m). Kolonos viduje juda begalinis izoliacinės medžiagos (šilko, gumos) diržas, kuris tarnauja kaip konvejeris, pernešantis krūvius į sferą.
Kai judate aukštyn, juostelė eina įrenginio apačioje pro šepetį, prijungtą prie vieno šaltinio poliaus nuolatinė srovė apie 10 000 V įtampa (šiuo šaltiniu gali pasitarnauti tinkamas lygintuvas.) Kurdamas pirmuosius elektrostatinius generatorius Van de Graafas naudojo įrenginį su vakuuminiu vamzdeliu.
Van de Graaff elektrostatinis generatorius
Iš šio šepečio galiukų krūviai teka žemyn ant diržo, kuris juos neša rutulio viduje, o per antrąjį šepetį patenka į išorinį rutulio paviršių.Siekiant pagerinti neįkrautos juostos dalies judėjimo žemyn procesą, priešingo ženklo krūviai perkeliami iš įkrauto rutulio nuimtų šepetėlių pagalba.
Dėl elektrostatinės indukcijos ant šepečio atsiranda neigiamas krūvis, kurį iškrova nuneša į besileidžiančią diržo dalį. Tada šis krūvis perkeliamas į šepetį ir įžemintą apatinį volelį, per kurį išleidžiamas į žemę.
Juostai toliau judant, rutulio krūvis didėja, kol pasiekia iš anksto nustatytą slenkstinę vertę, kurią nustato rutulio skersmuo ir atstumas nuo jo iki kito elektrodo arba žemės.
Juostai toliau judant, rutulio krūvis didėja, kol pasiekia iš anksto nustatytą slenkstinę vertę, kurią nustato rutulio skersmuo ir atstumas nuo jo iki kito elektrodo arba žemės.
Įtampai padidinti įrengiami du tokie įtaisai, kuriuose kamuoliukai gauna priešingų ženklų krūvius. Taigi, pavyzdžiui, norint gauti 10 MV įtampą, naudojami du generatoriai, įkraunami žemės atžvilgiu iki +5 MV ir -5 MV ir sumontuoti tokiu atstumu vienas nuo kito, kad gedimo galimybė esant mažesnei įtampai. nei nurodyta Yra Išjungtas.
Šiuo metu yra daugybė skirtingų elektrostatinių generatorių modelių, įskaitant tuos, kurie atkartoja Van de Graaff dizainą. Jie naudojami tiek fiziniams eksperimentams, tiek kaip pramogų ir veiksmo demonstracijų atrakcija. statinė elektra.
Tai yra įdomu: Triboelektrinio efekto nanogeneratorius (TENG)