Elektrostatické generátory — zariadenie, princíp činnosti a použitie

Nabíjačka — jav, keď sa dva opačné náboje rovnakej veľkosti rušia. Ak sú dve telesá silne nabité opačným elektrickým nábojom v tesnej vzdialenosti od seba, potom medzi nimi preskočí iskra a zaznie krátke prasknutie.

Sila pôsobenia elektricky nabitého telesa na iné, ktorého náboj sa berie ako jednotka, sa nazýva potenciál. Potenciálny rozdiel je napätie.

Prvé spôsoby, ako sa dostať elektrické náboje a elektrostatické polia pozostávajú z trenia rôznych materiálov (kožušina, vlna, hodváb, koža a iné materiály o sklo, živicu, guma atď.). Zároveň boli napätia a náboje extrémne malé. Indukcia a akumulácia nábojov mechanickým prenosom umožnila mierne zvýšenie výsledných napätí.

Následne na získanie vysokých napätí vznikli nepretržite pracujúce stroje s rotujúcimi kotúčmi na princípe elektrostatického vedenia (indukcie).Tieto stroje však neumožňovali získať vysoký výkon a uplatnenie našli najmä ako zariadenia vo fyzikálnych kanceláriách vzdelávacích inštitúcií.

Elektrifikácia telies a elektrostatická indukcia

Správa do tela elektrických nábojov je tzv elektrifikácia… Popísané v článku Elektrifikácia telies a interakcia nábojov proces tvorby kladných a záporných iónov dáva predstavu o procese elektrifikácie telies: spočíva v prenose elektrónov z jedného tela do druhého.

Elektrický náboj tela je teda určený prebytkom alebo nedostatkom v tele. elektróny… Elektrifikovať teleso je možné rôznymi spôsobmi, z ktorých technické sú trenie, kontakt, smer, prenos náboja.

Obrátený proces — obnovenie neutrálneho stavu tela (neutralizácia) — spočíva v tom, že sa mu dodá chýbajúci počet elektrónov alebo sa z neho odstráni nadbytok.

Počas elektrifikácie trením, ak nie sú žiadne dodatočné náboje oznámené žiadnemu z kontaktujúcich telies zvonku, obe telesá sú nabité rovnakým množstvom elektriny rôznych znakov. Keď sú telá spojené, ich náboje sú úplne neutralizované.

Týmto spôsobom sa náboje nevytvárajú ani neničia, ale iba sa prenášajú z jedného tela do druhého. To nás presviedča o existencii zákona zachovania elektrických nábojov napr zákon zachovania energie.

Statická elektrina — elektrický náboj v pokoji. Vyskytuje sa v dôsledku trenia medzi dvoma nevodičmi alebo nevodičom a kovom (napr. remene pohonu motora), ale nie nevyhnutne pevnými telesami.

Statická elektrina môže vzniknúť aj trením určitých kvapalín alebo plynov. Ľudia s veľmi suchou pokožkou akumulujú elektrické náboje. Pri pohybe (trenie vlákien o pokožku) vzniká v látke výrazný statický elektrický náboj, látka priľne k telu a bráni pohybu.

Statická elektrina sa stáva nebezpečnou v horľavých a výbušných prostrediach, kde jediná iskra môže zapáliť celú masu. V tomto prípade je potrebné okamžite uvoľniť statický náboj do zeme alebo ovzdušia pomocou nejakého kovového zariadenia, ktorého vodivosť je možné zvýšiť zvlhčovaním alebo ožarovaním.

Elektrostatická indukcia — výskyt elektrických nábojov na drôte pod vplyvom iných nábojov umiestnených v blízkosti drôtu (elektrifikácia tela na diaľku).

Pôsobením vonkajšieho náboja sa na najbližšom konci vodiča indukuje (vzniká) náboj, ktorého znamienko je opačné ako znamienko zvonku pôsobiaceho náboja a na vzdialenejšom konci vodiča náboj rovnakého znamenia. V tomto prípade sú oba indukčné náboje rovnako veľké, to znamená, že indukcia spôsobuje iba oddelenie nábojov na drôte, ale nemení celkový náboj na drôte (keďže súčet indukovaných nábojov je nulový).

Veľkosť indukovaných nábojov a ich umiestnenie sú určené podmienkou, že vo vodiči by nemalo byť žiadne elektrostatické pole. Preto sú indukované náboje umiestnené tak, že elektrické pole, ktoré vytvárajú, jednoducho ničí pole vo vnútri drôtu, ktoré je vytvorené indukčným nábojom.

Príklad elektrostatickej indukcie: v nenabitom elektroskope sú oba elektrické náboje, kladný aj záporný, v rovnakom množstve, a preto elektroskop nie je elektrifikovaný.

Ak sa k nej priblíži sklenená tyčinka s kladným nábojom, voľné elektróny k nej budú súčasne priťahované a kladný náboj elektroskopu súčasne odpudzovaný.

Záporný náboj je sústredený bližšie k sklenenej tyčinke, je s ňou spojený, zatiaľ čo kladný náboj je odpudzovaný, a preto je umiestnený na zadnej strane elektroskopu — je voľný.

Elektroskop je teraz elektrifikovaný. Tento stav však nie je dlhodobý. Oplatí sa odstrániť sklenenú tyčinku, pretože je narušené oddelenie náboja na pozitívny a negatívny, obnoví sa neutrálny stav elektroskopu a jeho listy sa vrátia do svojej pôvodnej polohy.

Elektroskop — prístroj, pomocou ktorého možno určiť, akým nábojom je telo elektrizované. Skladá sa z kovovej tyče s guľou alebo doskou na hornom konci a dvoch voľne visiacich plechov na spodnej strane. Činnosť elektroskopu je založená na princípe: telesá s rovnakým názvom sa navzájom odpudzujú (pozri — Princíp činnosti elektroskopu).

Elektrostatická indukcia je jednou z príčin blesk v prírode, — najsilnejší a najnebezpečnejší prejav atmosférickej statickej elektriny.

Blesk Ide o výboj atmosférickej elektriny medzi jednotlivými časťami oblaku, jednotlivými oblakmi, oblakom a Zemou, zo Zeme do oblaku. Inými slovami, blesk možno definovať ako elektrický prúd krátkeho trvania, elektrická iskra, ktorá vyrovnáva elektrické potenciály.

35 často kladených otázok o búrkach a bleskoch

Van de Graafov elektrostatický generátor

Na vedecké a technické účely (napríklad v jadrovej fyzike, rádiobiológii, röntgenovej terapii, testovaní materiálov, detekcii chýb atď.) sú potrebné zariadenia, ktoré dokážu generovať napätie niekoľko miliónov voltov.

Takéto zariadenia sú technicky vyspelé elektrostatické generátory s vysokým jednosmerným napätím. Najznámejší z nich je Van de Graafov generátor, ktorý v roku 1829 vytvoril americký fyzik Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Van de Graafov generátor (1933) s napätím 7 megavoltov

Generátor je kovová dutá guľa namontovaná na vysokom dutom stĺpe z izolačného materiálu. Rozmery gule a výška stĺpika sú určené hranicou požadovaného napätia generátora (napr. pri generátore s napätím 5 MV dosahuje priemer gule 5 m). Vnútri stĺpca sa pohybuje nekonečný pás izolačného materiálu (hodváb, guma), ktorý slúži ako dopravník na prenášanie nábojov do gule.

Keď sa pohybujete nahor, pásik prechádza v spodnej časti zariadenia popri kefke pripojenej k jednému pólu zdroja priamy prúd napätie asi 10 000 V (ako zdroj môže poslúžiť vhodný usmerňovač).Pri návrhu svojich prvých elektrostatických generátorov Van de Graaf použil prístroj s vákuovou trubicou.

Zariadenie elektrostatického generátora Van de Graaff

Z hrotov tejto kefy tečú náboje dole na pás, ktorý ich unáša vo vnútri lopty a cez druhú kefku prechádzajú na vonkajší povrch lopty.Na zlepšenie procesu posúvania nenabitej časti pásky nadol sa náboje opačného znamienka prenášajú pomocou štetcov odstránených z nabitej gule.

Vplyvom elektrostatickej indukcie vzniká na kefke záporný náboj, ktorý je výbojom prenášaný do zostupnej časti pásu. Tento náboj sa potom prenáša na kefu a uzemnený spodný valec, cez ktorý sa vybíja na zem.

Keď sa páska ďalej pohybuje, náboj na guľôčke sa zvyšuje, kým nedosiahne vopred stanovenú prahovú hodnotu určenú priemerom gule a vzdialenosťou od nej k inej elektróde alebo k zemi.

Keď sa páska ďalej pohybuje, náboj na guľôčke sa zvyšuje, kým nedosiahne vopred stanovenú prahovú hodnotu určenú priemerom gule a vzdialenosťou od nej k inej elektróde alebo k zemi.

Na zvýšenie napätia sú nainštalované dve takéto zariadenia, v ktorých gule dostávajú náboje opačných znakov. Napríklad na získanie napätia 10 MV sa použijú dva generátory, nabité vzhľadom na zem na +5 MV a -5 MV a inštalované v takej vzdialenosti od seba, že možnosť poruchy pri menšom napätí než daný Je vypnutý.

V súčasnosti existuje veľké množstvo rôznych modelov elektrostatických generátorov, vrátane tých, ktoré opakujú dizajn Van de Graaff. Používajú sa ako na fyzikálne experimenty, tak aj ako atrakcia pre zábavu a akčné ukážky. statická elektrina.

Je to zaujímavé: Nanogenerátor s triboelektrickým efektom (TENG)