Elektrostatični generatorji — naprava, princip delovanja in uporaba
Električni naboj — pojav, ko se dva nasprotna naboja enake velikosti izničita. Če sta dve telesi, močno nabiti z nasprotnim električnim nabojem, na tesni razdalji drug od drugega, potem med njima preskoči iskra in zasliši se kratek pok.
Sila delovanja električno nabitega telesa na drugo, katerega naboj jemljemo kot enoto, se imenuje potencial. Razlika potenciala je napetost.
Prvi načini za pridobitev električni naboji elektrostatična polja pa so sestavljena iz trenja različnih materialov (krzno, volna, svila, usnje in drugi materiali ob steklo, smolo, guma itd.). Hkrati so bile napetosti in naboji izjemno majhni. Indukcija in akumulacija nabojev z mehanskim prenosom je omogočila rahlo povečanje nastalih napetosti.
Kasneje so za pridobitev visokih napetosti ustvarili neprekinjeno delujoče stroje z vrtečimi se diski na principu elektrostatičnega vodenja (indukcije).Vendar ti stroji niso omogočili pridobivanja visoke moči in so našli uporabo predvsem kot naprave v fizikalnih pisarnah izobraževalnih ustanov.
Elektrifikacija teles in elektrostatična indukcija
Sporočilo telesu električnih nabojev se imenuje elektrifikacija… Opisano v članku Elektrifikacija teles in interakcija nabojev proces nastajanja pozitivnih in negativnih ionov daje idejo o procesu elektrifikacije teles: sestoji iz prenosa elektronov iz enega telesa v drugega.
Tako je električni naboj telesa določen s presežkom ali pomanjkanjem v telesu. elektroni… Telo je mogoče naelektriti na različne načine, od katerih so tehnični trenje, stik, usmerjanje, prenos naboja.
Obratni proces - ponovna vzpostavitev nevtralnega stanja telesa (nevtralizacija) - je sestavljen iz tega, da mu damo manjkajoče število elektronov ali odstranimo njihov presežek iz njega.
Pri elektrifikaciji s trenjem se obe telesi naelektrita z enako količino elektrike različnih predznakov, če nobenemu od kontaktnih teles od zunaj ne posredujemo dodatnih nabojev. Ko so telesa povezana, so njihovi naboji popolnoma nevtralizirani.
Pri tem se naboji ne ustvarjajo ali uničujejo, temveč le prenašajo z enega telesa na drugo. To nas prepriča o obstoju zakona o ohranitvi električnih nabojev npr zakon o ohranitvi energije.
Statična elektrika — električni naboj v mirovanju. Nastane kot posledica trenja med dvema neprevodnikoma ali neprevodnikom in kovino (npr. pogonski jermeni motorja), vendar ne nujno trdna telesa.
Statična elektrika lahko nastane tudi zaradi trenja nekaterih tekočin ali plinov. Ljudje z zelo suho kožo kopičijo električni naboj. Pri gibanju (drgnjenju vlaken po koži) se v tkanini pojavi precejšen statični električni naboj, tkanina se oprime telesa in preprečuje premikanje.
Statična elektrika postane nevarna v vnetljivih in eksplozivnih okoljih, kjer lahko ena sama iskra vname celotno maso. V tem primeru je treba statični naboj takoj sprostiti v tla ali zrak s pomočjo kakšne kovinske naprave, katere prevodnost lahko povečamo z vlaženjem ali obsevanjem.
Elektrostatična indukcija — pojav električnih nabojev na žici pod vplivom drugih nabojev, ki se nahajajo v bližini žice (elektrifikacija telesa na daljavo).
Pod delovanjem zunanjega naboja se na najbližjem koncu prevodnika inducira (nastane) naboj, katerega predznak je nasproten predznaku naboja, ki deluje od zunaj, na skrajnem koncu prevodnika pa naboj istega predznaka. V tem primeru sta oba induktivna naboja enaka po velikosti, to pomeni, da indukcija povzroči le ločitev nabojev na žici, ne spremeni pa skupnega naboja na žici (ker je vsota induciranih nabojev enaka nič).
Velikost induciranih nabojev in njihova lokacija sta določena s pogojem, da v prevodniku ne sme biti elektrostatičnega polja. Zato so inducirani naboji nameščeni tako, da električno polje, ki ga ustvarijo, preprosto uniči polje znotraj žice, ki ga ustvari induktivni naboj.
Primer elektrostatične indukcije: v nenaelektrenem elektroskopu sta oba električna naboja, pozitivni in negativni, enaka in zato elektroskop ni naelektren.
Če se mu približa steklena paličica s pozitivnim nabojem, bo hkrati privlačila proste elektrone in hkrati odbijala pozitivni naboj elektroskopa.
Negativni naboj je koncentriran bližje stekleni palici, je povezan z njo, medtem ko se pozitivni naboj odbija in se zato nahaja na zadnji strani elektroskopa - je prost.
Elektroskop je zdaj elektrificiran. Vendar to stanje ni dolgotrajno. Stekleno palico je vredno odstraniti, ker je porušena ločitev naboja na pozitivno in negativno, nevtralno stanje elektroskopa se obnovi in njegovi listi se vrnejo v prvotni položaj.
elektroskop — naprava, s katero je mogoče ugotoviti, s kakšnim nabojem je telo naelektreno. Sestavljen je iz kovinske palice s kroglo ali ploščo na zgornjem koncu in dveh prosto visečih kovinskih listov na dnu. Delovanje elektroskopa temelji na principu: istoimenska telesa se odbijajo (glej — Načelo delovanja elektroskopa).
Elektrostatična indukcija je eden od vzrokov za strela v naravi, — najmočnejša in najnevarnejša manifestacija atmosferske statične elektrike.
Strela Gre za razelektritev atmosferske elektrike med posameznimi deli oblaka, posameznimi oblaki, oblakom in Zemljo, od Zemlje do oblaka. Z drugimi besedami, strelo lahko definiramo kot električni tok kratkega trajanja, električno iskro, ki izenači električne potenciale.
35 Pogosta vprašanja o nevihtah in strelah
Van de Graaf elektrostatični generator
Za znanstvene in tehnične namene (na primer v jedrski fiziki, radiobiologiji, rentgenski terapiji, testiranju materialov, odkrivanju napak itd.) so potrebne naprave, ki lahko ustvarijo napetosti več milijonov voltov.
Take naprave so tehnično napredni elektrostatični generatorji z visoko enosmerno napetostjo. Najbolj znan med njimi je Van de Graafov generator, ki ga je leta 1829 ustvaril ameriški fizik Robert van de Graaff (1901 - 1967).
Generator Van de Graaf (1933) z napetostjo 7 megavoltov
Generator je kovinska votla krogla, nameščena na visok votel steber iz izolacijskega materiala. Dimenzije krogle in višina stebra so določene z mejo zahtevane napetosti generatorja (na primer za generator z napetostjo 5 MV doseže premer krogle 5 m). Znotraj kolone se giblje neskončni pas iz izolacijskega materiala (svila, guma), ki služi kot tekoči trak za prenos nabojev na kroglo.
Ko se premikate navzgor, poteka trak na dnu naprave mimo ščetke, povezane z enim polom vira enosmerni tok napetost okoli 10.000 V (za ta vir lahko služi ustrezen usmernik) Pri načrtovanju svojih prvih elektrostatičnih generatorjev je Van de Graaf uporabil napravo z vakuumsko cevjo.
Van de Graaffova elektrostatična generatorska naprava
S konic te ščetke se naboji stekajo navzdol na trak, ki jih nosi znotraj krogle, skozi drugo ščetko pa preidejo na zunanjo površino krogle.Za izboljšanje procesa premikanja nenabitega dela traku navzdol se naboji nasprotnega znaka prenesejo s pomočjo ščetk, odstranjenih iz nabite kroglice.
Zaradi elektrostatične indukcije se na krtači pojavi negativni naboj, ki ga razelektritev prenese na padajoči del jermena. Ta naboj se nato prenese na krtačo in ozemljen spodnji valj, skozi katerega se odvaja na tla.
Ko se trak še naprej premika, se naboj na krogli povečuje, dokler ne doseže vnaprej določene mejne vrednosti, ki jo določata premer krogle in razdalja od nje do druge elektrode ali do tal.
Ko se trak še naprej premika, se naboj na krogli povečuje, dokler ne doseže vnaprej določene mejne vrednosti, ki jo določata premer krogle in razdalja od nje do druge elektrode ali do tal.
Za povečanje napetosti sta nameščeni dve takšni napravi, v katerih kroglice prejemajo naboje nasprotnih znakov. Tako se na primer za pridobitev napetosti 10 MV uporabljata dva generatorja, napolnjena glede na tla na +5 MV in -5 MV in nameščena na takšni razdalji drug od drugega, da je možnost okvare pri napetosti manjša kot podano Je izklopljeno.
Trenutno obstaja veliko število različnih modelov elektrostatičnih generatorjev, vključno s tistimi, ki ponavljajo zasnovo Van de Graaff. Uporabljajo se tako za fizikalne poskuse kot kot atrakcija za zabavo in akcijske demonstracije. statična elektrika.
Zanimivo je: Nanogenerator s triboelektričnim učinkom (TENG)