Elektrostatické generátory — zařízení, princip činnosti a použití

Elektrický náboj — jev, kdy se zruší dva opačné náboje stejné velikosti. Pokud jsou dvě tělesa silně nabitá opačným elektrickým nábojem v těsné blízkosti od sebe, pak mezi nimi přeskočí jiskra a ozve se krátké praskání.

Síla působení elektricky nabitého tělesa na jiné, jehož náboj se bere jako jednotka, se nazývá potenciál. Potenciální rozdíl je napětí.

První způsoby, jak se dostat elektrické náboje a elektrostatická pole se skládají z tření různých materiálů (kožešina, vlna, hedvábí, kůže a další materiály o sklo, pryskyřici, guma atd.). Přitom napětí a náboje byly extrémně malé. Indukce a akumulace nábojů mechanickým přenosem umožnily mírné zvýšení výsledných napětí.

Následně za účelem získání vysokých napětí vznikly nepřetržitě pracující stroje s rotujícími kotouči na principu elektrostatického vedení (indukce).Tyto stroje však neumožňovaly získat vysoký výkon a našly uplatnění především jako zařízení ve fyzikálních kancelářích vzdělávacích institucí.

Elektrifikace těles a elektrostatická indukce

Zpráva do těla elektrických nábojů se nazývá elektrizace…Popsáno v článku Elektrifikace těles a interakce nábojů proces tvorby kladných a záporných iontů dává představu o procesu elektrifikace těl: spočívá v přenosu elektronů z jednoho těla do druhého.

Elektrický náboj těla je tedy určen přebytkem nebo nedostatkem v těle. elektrony… Elektrifikovat těleso je možné různými způsoby, z nichž technické jsou tření, kontakt, směr, přenos náboje.

Opačný proces — obnova neutrálního stavu těla (neutralizace) — spočívá v tom, že mu poskytneme chybějící počet elektronů nebo z něj odstraníme přebytek.

Pokud během elektrifikace třením nejsou žádné další náboje sděleny žádnému z kontaktních těles zvenčí, jsou obě tělesa nabita stejným množstvím elektřiny různých znaků. Při spojení těles jsou jejich náboje zcela neutralizovány.

Tímto způsobem se náboje nevytvářejí ani neničí, ale pouze se přenášejí z jednoho těla do druhého. To nás přesvědčuje například o existenci zákona zachování elektrických nábojů zákon zachování energie.

Statická elektřina — elektrický náboj v klidu. Vyskytuje se v důsledku tření mezi dvěma nevodiči nebo nevodičem a kovem (např. hnací řemeny motoru), ale ne nutně pevnými tělesy.

Statická elektřina může vzniknout také třením určitých kapalin nebo plynů. U lidí s velmi suchou pokožkou se hromadí elektrické náboje. Při pohybu (tření vláken o kůži) vzniká v látce výrazný statický elektrický náboj, látka přilne k tělu a brání pohybu.

Statická elektřina se stává nebezpečnou v hořlavém a výbušném prostředí, kde jediná jiskra může zapálit celou hmotu. V tomto případě je nutné okamžitě uvolnit statický náboj do země nebo vzduchu pomocí nějakého kovového zařízení, jehož vodivost lze zvýšit zvlhčováním nebo ozařováním.

Elektrostatická indukce — výskyt elektrických nábojů na drátu pod vlivem jiných nábojů umístěných v blízkosti drátu (elektrifikace těla na dálku).

Působením vnějšího náboje se na nejbližším konci vodiče indukuje (vzniká) náboj, jehož znaménko je opačné než znaménko náboje působícího zvenčí, a na vzdálenějším konci vodiče. náboj stejného znamení. V tomto případě jsou oba indukční náboje stejně velké, to znamená, že indukce způsobuje pouze oddělení nábojů na drátu, ale nemění celkový náboj na drátu (protože součet indukovaných nábojů je nulový).

Velikost indukovaných nábojů a jejich umístění jsou určeny podmínkou, že uvnitř vodiče by nemělo být žádné elektrostatické pole. Proto jsou indukované náboje umístěny tak, že elektrické pole, které vytvářejí, jednoduše ničí pole uvnitř drátu, které je vytvořeno indukčním nábojem.

Příklad elektrostatické indukce: v nenabitém elektroskopu jsou oba elektrické náboje, kladný i záporný, ve stejném množství, a proto není elektroskop elektrifikován.

Pokud se k ní přiblíží skleněná tyčinka s kladným nábojem, budou k ní volné elektrony současně přitahovány a kladný náboj elektroskopu současně odpuzován.

Záporný náboj se soustředí blíže ke skleněné tyči, je s ní spojen, kladný náboj je odpuzován a je tedy umístěn na zadní straně elektroskopu — je volný.

Elektroskop je nyní elektrifikován. Tento stav však není dlouhodobý. Vyplatí se odstranit skleněnou tyčinku, protože je narušeno oddělení náboje na pozitivní a negativní, obnoví se neutrální stav elektroskopu a jeho listy se vrátí do své původní polohy.

Elektroskop — zařízení, pomocí něhož lze určit, jakým nábojem je tělo elektrizováno. Skládá se z kovové tyče s kuličkou nebo destičkou na horním konci a dvou volně visících plechů na spodní straně. Činnost elektroskopu je založena na principu: stejnojmenná tělesa se navzájem odpuzují (viz — Princip činnosti elektroskopu).

Elektrostatická indukce je jednou z příčin blesk v přírodě, — nejmocnější a nejnebezpečnější projev atmosférické statické elektřiny.

Blesk Jde o výboj atmosférické elektřiny mezi jednotlivými částmi oblaku, jednotlivými mraky, oblakem a Zemí, ze Země do oblaku. Jinými slovy, blesk lze definovat jako elektrický proud krátkého trvání, elektrická jiskra, která vyrovnává elektrické potenciály.

35 Často kladené otázky o bouřkách a bleskech

Van de Graafův elektrostatický generátor

Pro vědecké a technické účely (například v jaderné fyzice, radiobiologii, rentgenové terapii, testování materiálů, detekci vad atd.) jsou zapotřebí zařízení, která mohou generovat napětí několika milionů voltů.

Taková zařízení jsou technicky vyspělé elektrostatické generátory s vysokým stejnosměrným napětím. Nejznámější z nich je Van de Graafův generátor, který v roce 1829 vytvořil americký fyzik Robert van de Graaff (1901-1967).

Van de Graafův generátor (1933) s napětím 7 megavoltů

Generátor je kovová dutá koule namontovaná na vysokém dutém sloupu z izolačního materiálu. Rozměry koule a výška sloupku jsou dány limitem požadovaného napětí generátoru (např. u generátoru s napětím 5 MV dosahuje průměr koule 5 m). Uvnitř sloupu se pohybuje nekonečný pás izolačního materiálu (hedvábí, pryž), který slouží jako dopravník pro přenos nábojů do koule.

Jak se pohybujete nahoru, proužek prochází ve spodní části zařízení kolem kartáče připojeného k jednomu pólu zdroje stejnosměrný proud napětí cca 10 000 V (jako zdroj může posloužit vhodný usměrňovač) Při konstrukci svých prvních elektrostatických generátorů Van de Graaf použil zařízení s vakuovou trubicí.

Zařízení elektrostatického generátoru Van de Graaff

Z hrotů tohoto kartáčku stékají náboje dolů na pás, který je nese uvnitř míče a druhým kartáčem procházejí na vnější povrch míče.Pro zlepšení procesu posouvání nenabité části pásku dolů jsou náboje opačného znaménka přenášeny pomocí kartáčů odstraněných z nabité koule.

Vlivem elektrostatické indukce se na kartáčku objeví záporný náboj, který je výbojem přenášen do sestupné části pásu. Tato nálož je následně přenesena na kartáčový a uzemněný spodní válec, přes který je odváděna na zem.

Jak se páska dále pohybuje, náboj na kouli se zvyšuje, dokud nedosáhne předem stanovené prahové hodnoty určené průměrem koule a vzdáleností od ní k jiné elektrodě nebo k zemi.

Jak se páska dále pohybuje, náboj na kouli se zvyšuje, dokud nedosáhne předem stanovené prahové hodnoty určené průměrem koule a vzdáleností od ní k jiné elektrodě nebo k zemi.

Pro zvýšení napětí jsou instalována dvě taková zařízení, ve kterých kuličky dostávají náboje opačných znaků. Takže například pro získání napětí 10 MV se použijí dva generátory, nabité vzhledem k zemi na +5 MV a -5 MV a nainstalované v takové vzdálenosti od sebe, že možnost průrazu při napětí menším než daný Je Vypnuto.

V současné době existuje velké množství různých modelů elektrostatických generátorů, včetně těch, které opakují Van de Graaffův design. Používají se jak k fyzikálním experimentům, tak jako atrakce pro zábavu a akční ukázky. statická elektřina.

To je zajímavé: Nanogenerátor s triboelektrickým efektem (TENG)