Elektrosztatikus generátorok — készülék, működési elv és alkalmazás
Elektromos töltés — az a jelenség, amikor két egymással ellentétes, azonos nagyságú töltés kiolt. Ha két ellentétes elektromos töltéssel erősen feltöltött test közeli távolságra van egymástól, akkor szikra ugrik közéjük, és rövid pukkanás hallatszik.
Az elektromosan töltött testnek egy másikra ható erejét, amelynek töltése egységnek számít, potenciálnak nevezzük. A potenciálkülönbség a feszültség.
Az első beszerzési módok elektromos töltések az elektrosztatikus mezők pedig különféle anyagok (szőrme, gyapjú, selyem, bőr és egyéb anyagok üveg, gyanta, radír stb.). Ugyanakkor a feszültségek és a töltések rendkívül kicsik voltak. A töltések mechanikai átvitelével történő indukciója és felhalmozódása lehetővé tette a keletkező feszültségek enyhe növekedését.
Ezt követően a nagyfeszültségek elérése érdekében az elektrosztatikus vezetés (indukció) elvén működő, folyamatosan működő forgótárcsás gépeket hoztak létre.Ezek a gépek azonban nem tették lehetővé a nagy teljesítmény elérését, és elsősorban oktatási intézmények fizikai irodáiban találtak alkalmazást.
Testek villamosítása és elektrosztatikus indukció
Az elektromos töltések testének küldött üzenetet ún villamosítás… Leírva a cikkben A testek villamosítása és a töltések kölcsönhatása a pozitív és negatív ionok képződésének folyamata képet ad a testek villamosítási folyamatáról: ez az elektronok egyik testből a másikba való átviteléből áll.
Így a test elektromos töltését a testben lévő felesleg vagy hiány határozza meg. elektronok… Egy testet többféleképpen lehet villamosítani, amelyek közül a súrlódás, érintkezés, irány, töltés átadása technikai jellegű.
A fordított folyamat – a test semleges állapotának helyreállítása (semlegesítés) – abból áll, hogy hiányzó számú elektront adunk, vagy eltávolítjuk belőle a felesleget.
A súrlódásos villamosítás során, ha kívülről egyik érintkező testtel sem közölnek többlettöltést, mindkét test azonos mennyiségű, különböző előjelű elektromossággal töltődik fel. Amikor a testek összekapcsolódnak, töltéseik teljesen semlegesítik.
Ily módon a töltések nem keletkeznek vagy semmisülnek meg, hanem csak egyik testről a másikra kerülnek át. Ez meggyőz bennünket például az elektromos töltések megmaradásának törvényéről az energia megmaradásának törvénye.
Statikus elektromosság — elektromos töltés nyugalmi állapotban. Két nem vezető vagy egy nem vezető és fém (pl. motor hajtószíjak) közötti súrlódás eredményeként jön létre, de nem feltétlenül szilárd testek között.
A statikus elektromosság bizonyos folyadékok vagy gázok súrlódásából is keletkezhet. A nagyon száraz bőrű emberek elektromos töltéseket halmoznak fel. A mozgás során (a szálak dörzsölése a bőrön) jelentős statikus elektromos töltés lép fel a szövetben, a szövet a testhez tapad és megakadályozza a mozgást.
A statikus elektromosság gyúlékony és robbanásveszélyes környezetben válik veszélyessé, ahol egyetlen szikra egy egész tömeget meggyújthat. Ebben az esetben a statikus töltést azonnal ki kell engedni a talajba vagy a levegőbe valamilyen fémes eszközzel, amelynek vezetőképessége nedvesítéssel vagy besugárzással növelhető.
Elektrosztatikus indukció — elektromos töltések megjelenése a vezetéken a vezeték közelében elhelyezkedő egyéb töltések hatására (a test távolról történő villamosítása).
Külső töltés hatására a vezető legközelebbi végén töltés indukálódik (keletkezik), melynek előjele ellentétes a kívülről ható töltés előjelével, a vezető túlsó végén pedig egy azonos jelű töltés. Ebben az esetben mindkét induktív töltés egyenlő nagyságú, vagyis az indukció csak a töltések szétválását okozza a vezetéken, de nem változtatja meg a vezeték teljes töltését (mivel az indukált töltések összege nulla).
Az indukált töltések nagyságát és elhelyezkedését az a feltétel határozza meg, hogy a vezető belsejében ne legyen elektrosztatikus tér. Ezért az indukált töltések úgy vannak elhelyezve, hogy az általuk létrehozott elektromos tér egyszerűen tönkreteszi az induktív töltés által létrehozott teret a vezetékben.
Példa az elektrosztatikus indukcióra: egy töltetlen elektroszkópban az elektromos töltések, a pozitív és a negatív, egyenlő mértékben vannak jelen, ezért az elektroszkóp nincs villamosítva.
Ha egy pozitív töltésű üvegrúd közeledik hozzá, akkor a szabad elektronok egyszerre vonzódnak hozzá, és egyidejűleg taszítják az elektroszkóp pozitív töltését.
A negatív töltés közelebb koncentrálódik az üvegrúdhoz, ahhoz kapcsolódik, míg a pozitív töltés taszítja, ezért az elektroszkóp hátoldalán helyezkedik el – szabad.
Az elektroszkóp most villamosított. Ez az állapot azonban nem tartós. Érdemes eltávolítani az üvegrudat, mivel a töltés pozitív és negatív szétválasztása megsérül, az elektroszkóp semleges állapota helyreáll, és a levelei visszaállnak eredeti helyzetükbe.
Elektroszkóp — olyan készülék, amellyel megállapítható, hogy a test milyen töltéssel van villamosítva. Fémrúdból áll, felső végén golyóval vagy lemezzel, alul pedig két szabadon lógó fémlappal. Az elektroszkóp működése azon az elven alapul, hogy az azonos nevű testek taszítják egymást (lásd - Az elektroszkóp működési elve).
Az elektrosztatikus indukció az egyik oka villámlás a természetben, — a légköri statikus elektromosság legerősebb és legveszélyesebb megnyilvánulása.
Villám Ez a légköri elektromosság kisülése a felhő egyes részei, az egyes felhők, a felhő és a Föld között, a Földtől a felhőig. Más szavakkal, a villámlást rövid időtartamú elektromos áramként, elektromos szikraként határozhatjuk meg, amely kiegyenlíti az elektromos potenciálokat.
35 Gyakran Ismételt Kérdés a zivatarokkal és a villámlással kapcsolatban
Van de Graaf elektrosztatikus generátor
Tudományos és műszaki célokra (például magfizika, sugárbiológia, röntgenterápia, anyagvizsgálat, hibafeltárás stb.) olyan eszközökre van szükség, amelyek több millió voltos feszültséget képesek generálni.
Az ilyen eszközök műszakilag fejlett, nagy egyenfeszültségű elektrosztatikus generátorok. Közülük a leghíresebb a Van de Graaf generátor, amelyet egy amerikai fizikus készített 1829-ben. Robert van de Graaff (1901-1967).
Van de Graaf generátor (1933), 7 megavolt feszültséggel
A generátor egy fém üreges golyó, amely egy magas üreges szigetelőanyag-oszlopra van felszerelve. A labda méreteit és az oszlop magasságát a generátor szükséges feszültségének határa határozza meg (például egy 5 MV feszültségű generátornál a golyó átmérője eléri az 5 m-t). Az oszlop belsejében egy végtelenített szigetelőanyag-szalag (selyem, gumi) mozog, amely szállítószalagként szolgál a töltések gömbbe történő átviteléhez.
Amint felfelé halad, a csík az eszköz alján fut a forrás egyik pólusához csatlakoztatott kefe mellett egyenáram 10 000 V körüli feszültség (forrásként megfelelő egyenirányító szolgálhat) Van de Graaf az első elektrosztatikus generátorok tervezése során használta a készüléket vákuumcsővel.
Van de Graaff elektrosztatikus generátor
Ennek a kefének a hegyeiről a töltetek lefolynak a szalagra, amely a labda belsejébe viszi őket, és a második kefén keresztül a labda külső felületére jutnak.A szalag töltetlen részének lefelé mozgatásának javítása érdekében az ellentétes előjelű töltéseket a töltött golyóról eltávolított kefék segítségével továbbítják.
Az elektrosztatikus indukció miatt a kefén negatív töltés jelenik meg, amelyet a kisülés a szíj leszálló részébe visz. Ez a töltés azután átkerül a kefére és a földelt alsó görgőre, amelyen keresztül leürül a talajra.
Ahogy a szalag tovább mozog, a golyó töltése addig növekszik, amíg el nem éri az előre meghatározott küszöbértéket, amelyet a labda átmérője, valamint a másik elektródától vagy a talajtól való távolsága határoz meg.
Ahogy a szalag tovább mozog, a golyó töltése addig növekszik, amíg el nem éri az előre meghatározott küszöbértéket, amelyet a labda átmérője, valamint a másik elektródától vagy a talajtól való távolsága határoz meg.
A feszültség növelésére két ilyen eszköz van felszerelve, amelyekben a golyók ellentétes előjelű töltéseket kapnak. Tehát például 10 MV feszültség eléréséhez két generátort használnak, amelyeket a földhöz képest +5 MV és -5 MV-ra töltenek fel, és olyan távolságra helyezik el egymástól, hogy kisebb feszültség esetén a meghibásodás lehetősége legyen. mint adott Ki van kapcsolva.
Jelenleg számos különféle elektrosztatikus generátor modell létezik, beleértve azokat is, amelyek megismétlik a Van de Graaff-tervet. Fizikai kísérletekhez és szórakoztatáshoz és akcióbemutatókhoz is használják őket. statikus elektromosság.
Ez érdekes: Triboelektromos hatású nanogenerátor (TENG)