Generadors electrostàtics: dispositiu, principi de funcionament i aplicació
Càrrega elèctrica — El fenomen quan dues càrregues oposades d'igual magnitud es cancel·len. Si dos cossos, fortament carregats amb una càrrega elèctrica oposada, es troben a una distància propera l'un de l'altre, aleshores salta una espurna entre ells i s'escolta un breu soroll.
La força d'acció d'un cos carregat elèctricament sobre un altre, la càrrega del qual es pren com a unitat, s'anomena potencial. La diferència de potencial és la tensió.
Primeres maneres d'aconseguir càrregues elèctriques i els camps electrostàtics consisteixen en la fricció de diversos materials (pell, llana, seda, cuir i altres materials contra vidre, resina, goma d'esborrar etc.). Al mateix temps, les tensions i les càrregues eren extremadament petites. La inducció i l'acumulació de càrregues per transferència mecànica van fer possible un lleuger augment de les tensions resultants.
Posteriorment, per tal d'obtenir altes tensions, es van crear màquines de funcionament continu amb discs giratoris basades en el principi d'orientació electrostàtica (inducció).Tanmateix, aquestes màquines no van permetre obtenir una gran potència i van trobar aplicació principalment com a dispositius a les oficines de física de les institucions educatives.
Electrificació de cossos i inducció electrostàtica
El missatge al cos de les càrregues elèctriques s'anomena electrificació... Es descriu a l'article Electrificació de cossos i interacció de càrregues el procés de formació d'ions positius i negatius dóna una idea del procés d'electrificació dels cossos: consisteix en la transferència d'electrons d'un cos a un altre.
Així, la càrrega elèctrica del cos ve determinada per l'excés o la deficiència del cos. electrons… És possible electrificar un cos de diverses maneres, de les quals la fricció, el contacte, la direcció, la transferència de càrrega són tècniques.
El procés invers —restabliment de l'estat neutre del cos (neutralització)— consisteix a donar-li un nombre d'electrons que falten o eliminar-ne un excés.
Durant l'electrificació per fricció, si no es comuniquen càrregues addicionals a cap dels cossos en contacte des de l'exterior, ambdós cossos es carreguen amb la mateixa quantitat d'electricitat de signes diferents. Quan els cossos estan connectats, les seves càrregues es neutralitzen completament.
D'aquesta manera, els càrrecs no es creen ni es destrueixen, sinó que només es transfereixen d'un cos a un altre. Això ens convenç de l'existència de la llei de conservació de les càrregues elèctriques, per exemple llei de conservació de l'energia.
Electricitat estàtica - càrrega elèctrica en repòs. Es produeix com a resultat de la fricció entre dos no conductors o un no conductor i metall (per exemple, corretges d'accionament del motor), però no necessàriament cossos sòlids.
L'electricitat estàtica també pot sorgir de la fricció de determinats líquids o gasos. Les persones amb pell molt seca acumulen càrregues elèctriques. Durant el moviment (fregament de les fibres a la pell), es produeix una càrrega elèctrica estàtica important al teixit, el teixit s'adhereix al cos i impedeix el moviment.
L'electricitat estàtica es torna perillosa en entorns inflamables i explosius on una sola espurna pot encendre tota una massa. En aquest cas, cal alliberar immediatament la càrrega estàtica al terra o a l'aire mitjançant algun dispositiu metàl·lic la conductivitat del qual es pugui augmentar per humidificació o irradiació.
Inducció electrostàtica — l'aparició de càrregues elèctriques al cable sota la influència d'altres càrregues situades a prop del cable (electrificació del cos a distància).
Sota l'acció d'una càrrega externa, s'indueix (sorgeix) una càrrega a l'extrem més proper del conductor, el signe de la qual és oposat al signe de la càrrega que actua des de l'exterior, i a l'extrem més llunyà del conductor, un càrrec del mateix signe. En aquest cas, ambdues càrregues inductives són iguals en magnitud, és a dir, la inducció només provoca una separació de càrregues al cable, però no modifica la càrrega total del cable (ja que la suma de les càrregues induïdes és zero).
La magnitud de les càrregues induïdes i la seva ubicació estan determinada per la condició que no hi hagi camp electrostàtic dins del conductor. Per tant, les càrregues induïdes es col·loquen de manera que el camp elèctric que creen simplement destrueix el camp dins del cable que es crea per la càrrega inductiva.
Un exemple d'inducció electrostàtica: en un electroscopi sense càrrega les dues càrregues elèctriques, positives i negatives, estan en quantitats iguals i per tant l'electroscopi no està electrificat.
Si s'hi acosta una vareta de vidre amb una càrrega positiva, els electrons lliures s'hi atreuen simultàniament i la càrrega positiva de l'electroscopi es repel·lirà simultàniament.
La càrrega negativa es concentra més a prop de la vareta de vidre, s'hi connecta, mentre que la càrrega positiva es repel·leix i, per tant, es troba a la part posterior de l'electroscopi: és lliure.
Ara l'electroscopi està electrificat. Tanmateix, aquest estat no és de llarga durada. Val la pena treure la vareta de vidre, ja que es viola la separació de la càrrega en positiva i negativa, es restaura l'estat neutre de l'electroscopi i les seves fulles tornen a la seva posició original.
Electroscopi — un aparell amb el qual és possible determinar amb quina càrrega s'electrifica el cos. Consisteix en una vareta metàl·lica amb una bola o placa a l'extrem superior i dues làmines de metall penjades lliurement a la part inferior. El funcionament de l'electroscopi es basa en el principi: els cossos del mateix nom es repel·len mútuament (vegeu - Principi de funcionament de l'electroscopi).
La inducció electrostàtica és una de les causes llamps a la natura, — la manifestació més poderosa i perillosa de l'electricitat estàtica atmosfèrica.
Llamp És una descàrrega d'electricitat atmosfèrica entre parts individuals del núvol, núvols individuals, el núvol i la Terra, de la Terra al núvol. En altres paraules, el llamp es pot definir com un corrent elèctric de curta durada, una espurna elèctrica que iguala els potencials elèctrics.
35 Preguntes freqüents sobre tempestes i llamps
Generador electrostàtic Van de Graaf
Amb finalitats científiques i tècniques (per exemple, en física nuclear, radiobiologia, teràpia amb raigs X, proves de materials, detecció de defectes, etc.), es necessiten dispositius que puguin generar tensions de diversos milions de volts.
Aquests dispositius són generadors electrostàtics tècnicament avançats amb alta tensió directa. El més famós d'ells és el generador Van de Graaf, creat el 1829 per un físic nord-americà. Robert van de Graaff (1901-1967).
Generador Van de Graaf (1933) amb una tensió de 7 megavolts
El generador és una bola buida metàl·lica muntada sobre una columna alta buida de material aïllant. Les dimensions de la bola i l'alçada de la columna es determinen pel límit de la tensió requerida del generador (per exemple, per a un generador amb una tensió de 5 MV, el diàmetre de la bola arriba als 5 m). Una cinta sense fi de material aïllant (seda, cautxú) es mou dins de la columna, que serveix com a transportador per transferir càrregues a l'esfera.
A mesura que us moveu cap amunt, la tira passa a la part inferior del dispositiu més enllà del raspall connectat a un pol de la font corrent continu voltatge d'uns 10.000 V (un rectificador adequat pot servir d'aquesta font) En dissenyar els seus primers generadors electrostàtics, Van de Graaf va utilitzar el dispositiu. amb un tub de buit.
Dispositiu generador electrostàtic Van de Graaff
Des de les puntes d'aquest raspall, les càrregues flueixen cap avall cap al cinturó, que les porta a l'interior de la pilota, i a través del segon raspall passen a la superfície exterior de la pilota.Per millorar el procés de desplaçament de la part no carregada de la cinta cap avall, es transfereixen les càrregues del signe contrari, amb l'ajuda de raspalls retirats de la bola carregada.
A causa de la inducció electrostàtica, apareix una càrrega negativa al raspall, que és transportada per la descàrrega a la part descendent del cinturó. A continuació, aquesta càrrega es transfereix al raspall i al corró inferior posat a terra, a través del qual es descarrega a terra.
A mesura que la cinta continua movent-se, la càrrega de la bola augmenta fins a assolir un valor llindar predeterminat determinat pel diàmetre de la bola i la distància des d'aquesta fins a un altre elèctrode o a terra.
A mesura que la cinta continua movent-se, la càrrega de la bola augmenta fins a assolir un valor llindar predeterminat determinat pel diàmetre de la bola i la distància des d'aquesta fins a un altre elèctrode o a terra.
Per augmentar la tensió, s'instal·len dos dispositius d'aquest tipus, en els quals les boles reben càrregues de signes oposats. Així, per exemple, per obtenir una tensió de 10 MV, s'utilitzen dos generadors, carregats respecte a terra a +5 MV i -5 MV i instal·lats a una distància tal entre ells que la possibilitat d'avaria a una tensió menor. del que es dóna Està apagat.
Actualment, hi ha un gran nombre de models diferents de generadors electrostàtics, inclosos els que repeteixen el disseny de Van de Graaff. S'utilitzen tant per a experiments físics com com a atracció per a demostracions d'entreteniment i acció. electricitat estàtica.
És interessant: Nanogenerador d'efecte triboelèctric (TENG)