Sähköstaattiset generaattorit — laite, toimintaperiaate ja sovellus
Sähkövaraus — ilmiö, jossa kaksi samansuuruista vastakkaista varausta kumoutuu. Jos kaksi kappaletta, jotka ovat voimakkaasti varautuneet vastakkaisella sähkövarauksella, ovat lähellä toisiaan, kipinä hyppää niiden väliin ja kuuluu lyhyt poksahdus.
Sähköisesti varautuneen kappaleen vaikutusvoimaa toiseen, jonka varaus otetaan yksikkönä, kutsutaan potentiaaliksi. Potentiaaliero on jännite.
Ensimmäiset tavat saada sähkömaksut ja sähköstaattiset kentät koostuvat erilaisten materiaalien (turkis, villa, silkki, nahka ja muut materiaalit) kitkasta lasia, hartsia, kumi jne.). Samaan aikaan jännitteet ja varaukset olivat erittäin pieniä. Varausten induktio ja kerääntyminen mekaanisella siirrolla mahdollisti syntyvien jännitteiden lievän nousun.
Myöhemmin luotiin korkeiden jännitteiden saamiseksi jatkuvasti toimivia koneita, joissa pyörivät levyt perustuivat sähköstaattisen ohjauksen (induktion) periaatteeseen.Nämä koneet eivät kuitenkaan mahdollistaneet suuren tehon saamista ja ne löytyivät pääasiassa oppilaitosten fysiikan toimistojen laitteina.
Runkojen sähköistys ja sähköstaattinen induktio
Viestiä keholle sähkövarauksista kutsutaan sähköistys… Kuvattu artikkelissa Kappaleiden sähköistyminen ja varausten vuorovaikutus positiivisten ja negatiivisten ionien muodostumisprosessi antaa käsityksen kappaleiden sähköistymisprosessista: se koostuu elektronien siirrosta kehosta toiseen.
Näin ollen kehon sähkövaraus määräytyy kehon ylimäärän tai puutteen perusteella. elektroneja… Runkoa on mahdollista sähköistää eri tavoin, joista kitka, kosketus, suunta, varauksen siirto ovat teknisiä.
Käänteinen prosessi - kehon neutraalin tilan palauttaminen (neutralointi) - koostuu siitä, että sille annetaan puuttuva määrä elektroneja tai poistetaan niistä ylimäärä.
Kitkasähköistyksen aikana, jos kumpaankaan koskettavaan kappaleeseen ei ilmoiteta ulkopuolelta lisävarauksia, molemmat kappaleet varautuvat samalla määrällä eri merkkisiä sähköä. Kun kappaleet on kytketty toisiinsa, niiden varaukset neutraloituvat täysin.
Tällä tavalla latauksia ei luoda tai tuhota, vaan ne vain siirtyvät kehosta toiseen. Tämä vakuuttaa meidät esimerkiksi sähkövarausten säilymislain olemassaolosta energian säilymisen laki.
Staattinen sähkö - sähkövaraus levossa. Syntyy kitkan seurauksena kahden ei-johtimen tai ei-johtavan ja metallin (esim. moottorin käyttöhihnat), mutta ei välttämättä kiinteiden kappaleiden välillä.
Staattista sähköä voi syntyä myös tiettyjen nesteiden tai kaasujen kitkasta. Ihmiset, joilla on erittäin kuiva iho, keräävät sähkövarauksia. Liikkeen aikana (kuitujen hankausta iholla) kankaaseen syntyy merkittävä staattinen sähkövaraus, kangas tarttuu vartaloon ja estää liikkeen.
Staattisesta sähköstä tulee vaarallista syttyvissä ja räjähdysalttiissa ympäristöissä, joissa yksi kipinä voi sytyttää koko massan. Tällöin staattinen varaus on välittömästi vapautettava maahan tai ilmaan jollakin metallilaitteella, jonka johtavuutta voidaan lisätä kostuttamalla tai säteilyttämällä.
Sähköstaattinen induktio — sähkövarausten ilmaantuminen lankaan muiden lähellä johtoa olevien varausten vaikutuksesta (rungon sähköistyminen kaukaa).
Ulkoisen varauksen vaikutuksesta johtimen lähimpään päähän indusoituu (syntyy) varaus, jonka merkki on ulkopuolelta vaikuttavan varauksen merkkiä vastapäätä, ja johtimen kauimmassa päässä saman merkin maksu. Tässä tapauksessa molemmat induktiiviset varaukset ovat suuruudeltaan yhtä suuria, eli induktio aiheuttaa vain varausten erottelun langalla, mutta ei muuta johdon kokonaisvarausta (koska indusoituneiden varausten summa on nolla).
Indusoituneiden varausten suuruus ja niiden sijainti määräytyy sen ehdon mukaan, ettei johtimen sisällä saa olla sähköstaattista kenttää. Siksi indusoidut varaukset sijoitetaan siten, että niiden luoma sähkökenttä yksinkertaisesti tuhoaa langan sisällä olevan kentän, jonka induktiivinen varaus synnyttää.
Esimerkki sähköstaattisesta induktiosta: varaamattomassa elektroskoopissa sähkövaraukset, positiiviset ja negatiiviset, ovat yhtä suuret ja siksi elektroskooppi ei ole sähköistetty.
Jos lasisauva, jolla on positiivinen varaus, lähestyy sitä, vapaat elektronit vetäytyvät siihen samanaikaisesti ja sähköskoopin positiivinen varaus hylätään samanaikaisesti.
Negatiivinen varaus keskittyy lähemmäs lasitankoa, liitetään siihen, kun taas positiivinen varaus hylätään ja sijaitsee siksi elektroskoopin takapuolella - se on vapaa.
Elektroskooppi on nyt sähköistetty. Tämä tila ei kuitenkaan ole pitkäkestoinen. Lasitanko kannattaa poistaa, koska varauksen erottelu positiiviseen ja negatiiviseen rikkoutuu, sähköskoopin neutraali tila palautuu ja sen lehdet palaavat alkuperäiseen asentoonsa.
Elektroskooppi — laite, jolla voidaan määrittää, millä varauksella keho sähköistetään. Se koostuu metallitangosta, jonka yläpäässä on pallo tai levy ja alaosassa kaksi vapaasti roikkuvaa metallilevyä. Elektroskoopin toiminta perustuu periaatteeseen: samannimiset kappaleet hylkivät toisiaan (ks. Elektroskoopin toimintaperiaate).
Sähköstaattinen induktio on yksi syistä salama luonnossa, — ilmakehän staattisen sähkön voimakkain ja vaarallisin ilmentymä.
Salama Se on ilmakehän sähkön purkaus pilven yksittäisten osien, yksittäisten pilvien, pilven ja maan välillä, maasta pilveen. Toisin sanoen salama voidaan määritellä lyhytkestoiseksi sähkövirraksi, sähkökipinäksi, joka tasoittaa sähköpotentiaalit.
35 usein kysyttyä ukkosmyrskyistä ja salamasta
Van de Graaf sähköstaattinen generaattori
Tieteellisiin ja teknisiin tarkoituksiin (esim. ydinfysiikka, radiobiologia, röntgenhoito, materiaalitestaus, vikojen havaitseminen jne.) tarvitaan laitteita, jotka voivat tuottaa useiden miljoonien volttien jännitteitä.
Tällaiset laitteet ovat teknisesti edistyneitä sähköstaattisia generaattoreita, joilla on korkea tasajännite. Tunnetuin niistä on Van de Graaf -generaattori, jonka amerikkalainen fyysikko loi vuonna 1829. Robert van de Graaff (1901-1967).
Van de Graaf -generaattori (1933), jonka jännite on 7 megavolttia
Generaattori on metallinen ontto pallo, joka on asennettu korkeaan onttoon eristävää materiaalia olevaan pylvääseen. Pallon mitat ja pylvään korkeus määräytyvät generaattorin vaaditun jännitteen rajan mukaan (esimerkiksi generaattorissa, jonka jännite on 5 MV, pallon halkaisija saavuttaa 5 m). Pylvään sisällä liikkuu päättymätön eristysmateriaalia (silkki, kumi) oleva hihna, joka toimii kuljettimena panosten siirtämiseksi palloon.
Kun liikut ylöspäin, nauha kulkee laitteen alaosassa lähteen yhteen napaan kytketyn harjan ohi tasavirta jännite noin 10 000 V (sopiva tasasuuntaaja voi toimia lähteenä) Van de Graaf käytti laitetta ensimmäisten sähköstaattisten generaattoreidensa suunnittelussa. tyhjiöputken kanssa.
Van de Graaff sähköstaattinen generaattori
Tämän harjan kärjistä varaukset valuvat alas hihnalle, joka kuljettaa ne pallon sisällä, ja toisen harjan kautta ne kulkevat pallon ulkopinnalle.Nauhan varaamattoman osan alaspäin siirtämisen parantamiseksi siirretään vastakkaisen merkin varaukset ladatusta pallosta poistettujen harjojen avulla.
Sähköstaattisen induktion vuoksi harjaan ilmestyy negatiivinen varaus, jonka purkaus kuljettaa hihnan laskevaan osaan. Tämä varaus siirretään sitten harjalle ja maadoitettuun alatelaan, jonka kautta se puretaan maahan.
Kun nauha jatkaa liikkumista, pallon varaus kasvaa, kunnes se saavuttaa ennalta määrätyn kynnysarvon, joka määräytyy pallon halkaisijan ja etäisyyden siitä toiseen elektrodiin tai maahan.
Kun nauha jatkaa liikkumista, pallon varaus kasvaa, kunnes se saavuttaa ennalta määrätyn kynnysarvon, joka määräytyy pallon halkaisijan ja etäisyyden siitä toiseen elektrodiin tai maahan.
Jännitteen lisäämiseksi asennetaan kaksi tällaista laitetta, joissa pallot vastaanottavat vastakkaisten merkkien varauksia. Joten esimerkiksi 10 MV:n jännitteen saamiseksi käytetään kahta generaattoria, jotka on ladattu maan suhteen +5 MV:iin ja -5 MV:iin ja asennetaan sellaiselle etäisyydelle toisistaan, että hajoamismahdollisuus pienemmällä jännitteellä kuin annettu On Pois päältä.
Tällä hetkellä on olemassa suuri määrä erilaisia sähköstaattisten generaattoreiden malleja, mukaan lukien ne, jotka toistavat Van de Graaffin mallia. Niitä käytetään sekä fyysisiin kokeisiin että vetonaulana viihteeseen ja toimintaesittelyihin. staattinen sähkö.
Se on kiinnostavaa: Tribosähköinen nanogeneraattori (TENG)