Elektrostatische generatoren — apparaat, werkingsprincipe en toepassing

Elektrische lading — het fenomeen wanneer twee tegengestelde ladingen van gelijke grootte elkaar opheffen. Als twee lichamen, sterk geladen met een tegengestelde elektrische lading, zich op korte afstand van elkaar bevinden, springt er een vonk tussen hen in en is een kort ploffend geluid te horen.

De werkingskracht van een elektrisch geladen lichaam op een ander, waarvan de lading als een eenheid wordt genomen, wordt potentiaal genoemd. Het potentiaalverschil is de spanning.

Eerste manieren om te krijgen elektrische ladingen en elektrostatische velden bestaan ​​uit de wrijving van verschillende materialen (bont, wol, zijde, leer en andere materialen tegen glas, hars, rubber enz.). Tegelijkertijd waren de spanningen en ladingen extreem klein. Inductie en accumulatie van ladingen door mechanische overdracht maakten een lichte toename van de resulterende spanningen mogelijk.

Om hoge spanningen te verkrijgen, ontstonden vervolgens continu werkende machines met roterende schijven op basis van het principe van elektrostatische geleiding (inductie).Deze machines maakten het echter niet mogelijk om een ​​hoog vermogen te verkrijgen en vonden vooral toepassing als apparaten in de natuurkundekantoren van onderwijsinstellingen.

Elektrificatie van lichamen en elektrostatische inductie

De boodschap aan het lichaam van elektrische ladingen wordt genoemd elektrificatie… Beschreven in het artikel Elektrificatie van lichamen en interactie van ladingen het proces van vorming van positieve en negatieve ionen geeft een idee van het proces van elektrificatie van lichamen: het bestaat uit de overdracht van elektronen van het ene lichaam naar het andere.

Zo wordt de elektrische lading van het lichaam bepaald door het teveel of tekort in het lichaam. elektronen… Het is mogelijk een lichaam op verschillende manieren te elektrificeren, waarvan wrijving, contact, richting, overdracht van lading technisch zijn.

Het omgekeerde proces - herstel van de neutrale toestand van het lichaam (neutralisatie) - bestaat erin het een ontbrekend aantal elektronen te geven of een teveel aan elektronen eruit te verwijderen.

Als tijdens elektrificatie door wrijving geen extra ladingen van buitenaf worden doorgegeven aan een van de contactlichamen, worden beide lichamen geladen met dezelfde hoeveelheid elektriciteit met verschillende tekens. Wanneer lichamen verbonden zijn, worden hun ladingen volledig geneutraliseerd.

Op deze manier worden ladingen niet gecreëerd of vernietigd, maar alleen overgedragen van het ene lichaam naar het andere. Dit overtuigt ons bijvoorbeeld van het bestaan ​​van de wet van behoud van elektrische ladingen wet van behoud van energie.

Statische elektriciteit — elektrische lading in rust. Treedt op als gevolg van wrijving tussen twee niet-geleiders of een niet-geleider en metaal (bijvoorbeeld motoraandrijfriemen), maar niet noodzakelijkerwijs vaste lichamen.

Statische elektriciteit kan ook ontstaan ​​door de wrijving van bepaalde vloeistoffen of gassen. Mensen met een zeer droge huid stapelen elektrische ladingen op. Tijdens beweging (wrijven van de vezels op de huid) ontstaat er een aanzienlijke statische elektrische lading in de stof, de stof hecht zich aan het lichaam en voorkomt beweging.

Statische elektriciteit wordt gevaarlijk in brandbare en explosieve omgevingen waar een enkele vonk een hele massa kan doen ontbranden. In dit geval is het noodzakelijk om de statische lading onmiddellijk in de grond of lucht af te geven door middel van een metalen apparaat waarvan de geleidbaarheid kan worden verhoogd door bevochtiging of bestraling.

Elektrostatische inductie — het verschijnen van elektrische ladingen op de draad onder invloed van andere ladingen in de buurt van de draad (lichaamselektrificatie op afstand).

Onder invloed van een externe lading wordt een lading geïnduceerd (ontstaat) aan het dichtstbijzijnde uiteinde van de geleider, waarvan het teken tegengesteld is aan het teken van de lading die van buitenaf werkt, en aan het andere uiteinde van de geleider, een lading van hetzelfde teken. In dit geval zijn beide inductieve ladingen even groot, dat wil zeggen dat de inductie alleen een scheiding van ladingen op de draad veroorzaakt, maar de totale lading op de draad niet verandert (aangezien de som van de geïnduceerde ladingen nul is).

De grootte van de geïnduceerde ladingen en hun locatie worden bepaald door de voorwaarde dat er geen elektrostatisch veld in de geleider mag zijn. Daarom zijn de geïnduceerde ladingen zo geplaatst dat het elektrische veld dat ze creëren eenvoudigweg het veld in de draad vernietigt dat wordt gecreëerd door de inductieve lading.

Een voorbeeld van elektrostatische inductie: in een ongeladen elektroscoop zijn beide elektrische ladingen, positief en negatief, in gelijke hoeveelheden en daarom is de elektroscoop niet geëlektrificeerd.

Komt er een glazen staaf met een positieve lading in de buurt, dan worden tegelijkertijd de vrije elektronen aangetrokken en tegelijkertijd de positieve lading van de elektroscoop afgestoten.

De negatieve lading wordt dichter bij de glazen staaf geconcentreerd, wordt ermee verbonden, terwijl de positieve lading wordt afgestoten en zich dus aan de achterkant van de elektroscoop bevindt — hij is vrij.

De elektroscoop is nu geëlektrificeerd. Deze toestand duurt echter niet lang. Het is de moeite waard om de glazen staaf te verwijderen, omdat de scheiding van de lading in positief en negatief wordt geschonden, de neutrale toestand van de elektroscoop wordt hersteld en de bladeren terugkeren naar hun oorspronkelijke positie.

Elektroscoop — een apparaat waarmee kan worden bepaald met welke lading het lichaam wordt geëlektrificeerd. Het bestaat uit een metalen staaf met aan de bovenkant een bol of plaat en aan de onderkant twee vrijhangende metalen platen. De werking van de elektroscoop is gebaseerd op het principe: gelijknamige lichamen stoten elkaar af (zie — Het werkingsprincipe van de elektroscoop).

Elektrostatische inductie is een van de oorzaken van bliksem in de natuur, - de krachtigste en gevaarlijkste manifestatie van atmosferische statische elektriciteit.

Bliksem Het is een ontlading van atmosferische elektriciteit tussen individuele delen van de wolk, individuele wolken, de wolk en de aarde, van de aarde naar de wolk. Met andere woorden, bliksem kan worden gedefinieerd als een elektrische stroom van korte duur, een elektrische vonk die de elektrische potentialen gelijk maakt.

35 veelgestelde vragen over onweer en bliksem

Van de Graaf elektrostatische generator

Voor wetenschappelijke en technische doeleinden (bijvoorbeeld in de kernfysica, radiobiologie, röntgentherapie, materiaaltesten, foutdetectie, enz.) zijn apparaten nodig die spanningen van enkele miljoenen volt kunnen genereren.

Dergelijke apparaten zijn technisch geavanceerde elektrostatische generatoren met hoge gelijkspanning. De bekendste daarvan is de Van de Graaf-generator, in 1829 gemaakt door een Amerikaanse natuurkundige Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Van de Graaf generator (1933) met een spanning van 7 megavolt

De generator is een metalen holle bal gemonteerd op een hoge holle kolom van isolatiemateriaal. De afmetingen van de bal en de hoogte van de kolom worden bepaald door de limiet van de vereiste spanning van de generator (bijvoorbeeld voor een generator met een spanning van 5 MV bereikt de diameter van de bal 5 m). Een eindeloze riem van isolerend materiaal (zijde, rubber) beweegt in de kolom, die dient als transportband voor het overbrengen van ladingen naar de bol.

Naarmate je omhoog beweegt, loopt de strip aan de onderkant van het apparaat langs de borstel die is aangesloten op een pool van de bron Gelijkstroom spanning van ongeveer 10.000 V (een geschikte gelijkrichter kan als deze bron dienen.) Bij het ontwerpen van zijn eerste elektrostatische generatoren gebruikte Van de Graaf het apparaat met een vacuümbuis.

Van de Graaff elektrostatisch generatorapparaat

Vanaf de uiteinden van deze borstel stromen de ladingen naar beneden op de riem, die ze in de bal draagt, en door de tweede borstel gaan ze naar het buitenoppervlak van de bal.Om het proces van het naar beneden verplaatsen van het ongeladen deel van de tape te verbeteren, worden de ladingen van het tegenovergestelde teken overgedragen met behulp van borstels die van de geladen bal zijn verwijderd.

Door elektrostatische inductie verschijnt er een negatieve lading op de borstel, die door de ontlading naar het dalende deel van de band wordt gedragen. Deze lading wordt vervolgens overgebracht naar de borstel en de geaarde onderste rol, waardoor deze naar de grond wordt afgevoerd.

Terwijl de tape blijft bewegen, neemt de lading op de bal toe totdat deze een vooraf bepaalde drempelwaarde bereikt die wordt bepaald door de diameter van de bal en de afstand ervan tot een andere elektrode of tot aarde.

Terwijl de tape blijft bewegen, neemt de lading op de bal toe totdat deze een vooraf bepaalde drempelwaarde bereikt die wordt bepaald door de diameter van de bal en de afstand ervan tot een andere elektrode of tot aarde.

Om de spanning te verhogen, zijn twee van dergelijke apparaten geïnstalleerd, waarin de ballen ladingen van tegengestelde tekens ontvangen. Dus om bijvoorbeeld een spanning van 10 MV te verkrijgen, worden twee generatoren gebruikt, ten opzichte van de grond opgeladen tot +5 MV en -5 MV en op een zodanige afstand van elkaar geïnstalleerd dat de kans op doorslag bij een spanning kleiner is dan gegeven is uitgeschakeld.

Momenteel zijn er een groot aantal verschillende modellen van elektrostatische generatoren, waaronder modellen die het Van de Graaff-ontwerp herhalen. Ze worden zowel gebruikt voor fysieke experimenten als als attractie voor amusement en actiedemonstraties. statische elektriciteit.

Het is interessant: Triboelektrische effect nanogenerator (TENG)