Электростатические генераторы — устройство, принцип действия и применение

Электрический заряд — явление, когда два разноименных заряда одинаковой величины взаимно уничтожаются. Если два тела, в значительной мере заряженные противоположным электрическим зарядом, находятся на близком расстоянии друг от друга, то между ними проскакивает искра и слышен короткий треск.

Сила действия электрически заряженного тела на другое, заряд которого принимается за единицу, называется потенциалом. Разница потенциалов — напряжение.

Первые способы получения электрических зарядов и электростатических полей заключались в трении разнородных материалов (меха, шерсти, шелка, кожи и других материалов о стекло, смолы, каучук и др.). Напряжения и заряды при этом были крайне малы. Наведением и накоплением зарядов путем механического переноса удалось несколько повысить получаемые при этом напряжения.

В дальнейшем для получения высоких напряжений были созданы непрерывно действующие машины с вращающимися дисками, основанные на принципе электростатического наведения (индуцировании). Однако эти машины не давали возможности получить большие мощности и нашли применение главным образом как приборы в физических кабинетах учебных заведений.

Электризация тел и электростатическая индукция

Сообщение телу электрических зарядов называется электризацией. Описанный в статье Электризация тел и взаимодействие зарядов процесс образования положительного и отрицательного ионов дает представление о процессе электризации тел: он заключается в переносе электронов от одного тела к другому.

Таким образом, электрическй заряд тела определяется избытком или недостатком в теле электронов. Наэлектризовать тело можно разными способами, из них техническими являются трение, контактирование, наведение, перенос зарядов.

Обратный процесс — восстановление нейтрального состояния тела (нейтрализация) — заключается в сообщении ему недостающего числа электронов или удаление из него избыточного числа их.

При электризации трением, если ни одному из соприкасающихся при этом тел не сообщается извне добавочных зарядов, оба тела заряжаются одинаковым количеством электричества разных знаков. При соединении тел их заряды полностью нейтрализуются.

Таким образом, заряды не создаются и не уничтожаются, а только передаются от одного тела к другому. Это убеждает нас в существовании закона сохранения электрических зарядов, подобно закону сохранения энергии.

Статическое электричество — электрический заряд в состоянии покоя. Оно возникает в результате трения двух непроводников или непроводника и металла (например, приводные ремни электромоторов), но необязательно твердых тел.

Статическое электричество может возникнуть также в результате трения некоторых жидкостей или газов. У людей с очень сухой кожей образуются электрические заряды. При движении (трении волокон о кожу) в ткани возникает значительный статический электрический заряд, ткань прилипает к телу и мешает движениям.

Статическое электричество становится опасным в легковоспламеняющейся и взрывоопасной среде, где одна искра может зажечь всю массу. В таком случае надо своевременно отвести статический заряд в землю или воздух с помощью какого-либо металлического приспособления, электропроводность которого можно поднять увлажнением или облучением.

Электростатическая индукция — возникновение электрических зарядов на проводнике под влиянием других зарядов, находящихся возле проводника (электризация тела на расстоянии).

Под действием внешнего заряда на ближайшем конце проводника индуктируется (возникает) заряд, знак которого противоположен знаку действующего извне заряда, а на дальнем конце проводника — заряд того же знака. При этом оба индуктируемых заряда равны по величине, т. е. индукция вызывает только разделение зарядов на проводнике, но не изменяет общего заряда проводника (т. к. сумма индуктируемых зарядов равна нулю).

Величина индуктируемых зарядов и их расположение определяются из условия, что электростатическое поле внутри проводника должно отсутствовать. Поэтому индуктируемые заряды располагаются так, что создаваемое ими электрическое поле как раз уничтожает внутри проводника то поле, которое создается индуктирующим зарядом.

Пример электростатической индукции: в незаряженном электроскопе оба электрических заряда, положительный и отрицательный, находятся в равных количествах и поэтому электроскоп не наэлектризован.

Если к нему приблизить стеклянную палочку с положительным зарядом, то свободные электроны одновременно притянутся к ней, положительный заряд электроскопа одновременно отталкивается.

Отрицательный заряд концентрируется ближе к стеклянной палочке, связан с ней, тогда как положительный отталкивается и поэтому располагается на обратной стороне электроскопа — он свободен.

Теперь электроскоп наэлектризован. Однако это состояние не является продолжительным. Стоит удалить стеклянную палочку, как разделение заряда на положительный и отрицательный нарушается, нейтральное состояние электроскопа восстанавливается, и его листочки вернутся в исходное положение.

Электроскоп — устройство, с помощью которого можно установить, каким зарядом наэлектризовано тело. Он состоит из металлического стержня с шариком или пластинкой на верхнем конце и двух свободно свисающих металлических листочков в нижней части. Действие электроскопа основано на принципе: одноименно заряженные тела отталкиваются (Смотрите — Принцип действия электроскопа).

Электростатическая индукция — одна из причин возникновения молнии в природе,— самого мощного и опасного проявления атмосферного статического электричества.

Молния — это разряд атмосферного электричества между отдельными частями облака, отдельными облаками, облаком и Землей, от Земли к облаку. Другими словами, молнию можно определить как электрический ток короткой продолжительности, электрическую искру, выравнивающую электрические потенциалы.

Электростатический генератор Ван де Графа

Для научных и технических целей (например, в ядерной физике, радиобиологии, рентгенотерапии, для испытания материалов, дефектоскопии и пр.) необходимы устройства, позволяющие получать напряжения в несколько миллионов вольт.

Такими устройствами являются технически совершенные электростатические генераторы высокого постоянного напряжения. Наиболее известен из них генератор Ван де Граафа, который создал в 1829-м году американский физик Роберт Ван де Грааф (1901 — 1967).

Генератор Ван де Граафа (1933 год) напряжением на 7 мегавольт

Генератор представляет собой металлический полый шар, укрепленный на высокой пустотелой колонне из изолирующего материала. Размеры шара и высота колонны определяются пределом требуемого напряжения генератора (например, у генератора напряжением 5 МВ диаметр шара достигает 5 м). Внутри колонны движется бесконечная лента из изолирующего материала (шелка, резины), которая служит конвейером для передачи зарядов на сферу.

При движении вверх лента проходит в нижней части устройства мимо щетки соединенной с одним полюсом источника постоянного тока напряжением примерно 10000 В (в качестве этого источника может служить соответствующее выпрямительное устройство). В конструкции своих первых электростатических генераторов Ван де Грааф использовал устройство с электронной лампой.

Устройство электростатического генератора Ван де Граафа

С остриев этой щетки заряды стекают на ленту, переносящую их внутрь шара, а через вторую щетку они переходят на внешнюю поверхность шара. Для усиления процесса незаряженной части ленты, движущейся вниз, передаются заряды противоположного знака, с помощью щеток отводимые от заряжаемого шара.

Благодаря электростатической индукции на щетке появляется отрицательный заряд, который путем истечения передается опускающейся части ленты. Этот заряд затем передается щетке и заземленному нижнему шкиву, через которые отводится в землю.

При непрерывном движении ленты заряд шара увеличивается, пока не достигает заданного предельного значения, определяемого диаметром шара и расстоянием от него до другого электрода или до земли.

При непрерывном движении ленты заряд шара увеличивается, пока не достигает заданного предельного значения, определяемого диаметром шара и расстоянием от него до другого электрода или до земли.

Чтобы увеличить напряжение, устанавливают два таких устройства, в которых шары получают заряды противоположных знаков. Так, например, чтобы получить напряжение 10 МВ, применяют два генератора, заряжаемых относительно земли до +5 Мв и -5 МВ и устанавливаемых на таком расстоянии один от другого, чтобы была исключена возможность пробоя при напряжении, меньше заданного.

В настоящее время существует большое количество разнообразных моделей электростатических генераторов, в том числе повторяющих конструкции Ван де Граафа. Они используются как для физических экспериментов, так и в качестве атракциона для развлечений и демонстраций действия статического электричества.

Источник

ЛЕКЦИЯ №2

“Плюс” и “минус”, доказано наукой, Влечет друг к другу. (из популярной песни мужа А.Б.Пугачевой)

1. Общие понятия.

Из многочисленных опытов известно, что, несмотря на различные способы, мы можем получить электричество лишь двух видов, которые получили названия: положительное и отрицательное (термины Франклина). Иначе говоря, можно получить заряженные реальные тела, или тела обладающие зарядом, которые по-разному взаимодействуют друг с другом. Оба вида электричества представляют собой на самом деле избыток или недостаток электричества одного типа. “Части предмета, подвергаемого трению, притягивают . электрический огонь и, следовательно, отнимают его от трущего предмета; те же части склонны отдать полученный ими огонь любому телу, у которого его меньше” (Франклин. 1848).

def:Заряд — физическая величина, являющаяся источником поля, посредством которого осуществляется взаимодействие заряженных частиц.

Заряды одного типа отталкиваются, а разных типов притягиваются (рис.2.1). Почему это так, не вполне ясно, однако можно предполагать, что это связано с симметрией пространства типа “правое — левое”.

Удивительно, но факт, что в окружающем нас мире количество положительного заряда приблизительно равно количеству отрицательного.

По сути дела заряд — это количественная мера способности тела к электромагнитным взаимодействиям (также как масса — мера гравитации).

2. Способы получения электрических зарядов(электризация тел).

Потерев пластиковый (эбонитовый, стеклянный) стержни куском меха (ткани, кожи, бумаги), увидим, что они притягивают мелкие легкие предметы. Мы говорим, что стержень (или мех) заряжены, т.е. даем ситуации название, а не объяснение. Джильберт назвал способность притягивать кусочки бумаги и отталкивать себе подобные тела электричеством, а тела наэлектризованными. Опыт показывает, что любые два разнородных хорошо изолированных материала, касаясь друг друга, становятся заряженными, причем главным фактором является именно касание, а не трение.

Можно зарядить и без касания через электростатическое влияние (индукцию). При приближении заряженного тела Е в теле ABCD произойдет перераспределение зарядов. Если разъединить тело ABCD, не убирая тела Е, то части AB и CD останутся заряженными, что покажут два соединенных с ними электроскопа (рис.2.2). Теперь тело Е можно убирать.

Наконец, заряды можно получить из любого источника электродвижущей силы (гальванический элемент, генератор, термопара и т.д.).

Следует заметить, что во всех случаях заряды образуются парами. Сколько появилось положительного электричества, ровно столько же и отрицательного.

3. Измерение заряда.

Количественное определение заряда сводится к указанию принципиального способа его измерения. Пусть в пространстве существует электрическое поле, не меняющееся во времени, т.е. электростатическое.

def:Малое заряженное тело, которое не вносит искажения в существовавшее электрическое поле, называется пробным зарядом.

rem:Конечно, таких зарядов в природе не существует, но без такой идеализации мы не сможем перейти к количественным формулировкам. Если искажения, вносимые реальным зарядом, столь малы, что в условиях данной задачи ими можно пренебречь, то можно говорить о пробном заряде.

Возьмем два пробных заряда, и будем помещать их в одну и ту же точку пространства, в котором есть электростатическое поле (рис.2.3). На эти заряды будут действовать силы, которые мы научились измерять в механике. Предположим, что на первый заряд действует сила F₁. Из опыта известно, что на другой заряд, помещенный в ту же точку, будет действовать сила F₂,направленная либо также, либо противоположно. Кроме того, их отношение не зависит от того, в какую точку поля мы будем помещать эти заряды. Следовательно, отношение модулей сил является характеристикой пробных зарядов. Поэтому каждому заряженному телу можно приписать число q, которое называют электрическим зарядом (может быть положительным, отрицательным, равным нулю). Таким образом, можно записать, что

(2.1)

Отсюда следует, что приписав какому-либо заряду единичное значение и взяв его за эталон, мы можем измерить любой другой заряд по отношению сил, а по направлениям сил определить знак.

4. Единица заряда.

В SI единицей заряда является 1 Кулон (Кл).

def:1 Кулон — единица SI количества электричества (электрического заряда), равная заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника в 1 секунду при постоянном токе 1 Ампер. 1 Кулон=1Ампер·1секунда (2.2)

Основной электрической единицей в SI является единица силы тока, так как ток современными приборами можно измерить точнее, чем заряд. Определение 1 Ампера см. лекцию №17.

5. Сохранение заряда.

Рассмотрим замкнутую (или изолированную) систему, т.е. некий объем пространства, через границы которого не может проникать какое-либо вещество (свет может). Пусть на эту систему падает фотон (квант света) с достаточно большой энергией.

Были или нет в этой системе какие-либо заряженные частицы — неважно. Но попадание фотона может привести к образованию пары частиц разного знака, однако, с одинаковым по модулю зарядом. Нет экспериментальных данных, что это правило когда-либо нарушается. Поэтому его можно принять как постулат, или возвести в ранг закона.

Lex: В изолированной системе полный заряд сохраняется. (2.3)

Это интегральная форма. Дифференциальную см. лекцию №17.

6. Заряд Земли.

Заряд Земли — отрицателен и равен -6 . 10 5 Кл. Из-за атмосферных ионов воздух проводит электрический ток, поэтому за полчаса земной шар разрядился бы. Однако этого не происходит. Механизмами восстановления заряда являются: молнии (ежедневно на Земле 40000 гроз); истечение зарядов с острых предметов и т.д. Конечно, баланс навести трудно, но наверное все сходится. Есть более интересный вопрос: Откуда взялся исходный заряд?

7. Инвариантность заряда.

Из принципа относительности и из нашего способа измерения зарядов следует, что величина заряда не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, в которой он измеряется. Т.о. заряд инвариантен относительно перехода от одной системы отсчета к другой, так же как инвариантна масса покоя.

rem: Вообще говоря, инвариантны не заряды, а их отношение. Однако, если эталон заряда одинаков во всех инерциальных системах, то и заряд инвариантен.

8. Дискретность заряда.

Огромное количество экспериментов (см. опыт Милликена п.12) показывают, что заряд любого тела кратен некоторому заряду (называемому элементарным), который по современным (1993) данным равен

|e|=1,6021892(46)·10 -19 Кл (2.4)

т.е. относительная погрешность

Очевидно, что любой заряд можно представить в виде

q=N·|e|,N=0,1, 2. (2.5)

Говорят, что заряд дискретен, или квантуется. По современным данным заряды элементарных частиц равны друг другу с точностью до 10 -20 . Почему?

rem: по сравнению с масштабами макромира, величина элементарного заряда столь мала, что в большинстве случаев можно говорить, что заряд может принимать любые значения.

9. Модели заряженных тел.

При изучении какого-либо заряженного тела мы обычно полагаем, что его заряд существенно больше элементарного. Поэтому можно говорить о том, что заряд “размазан” по объему, и ввести понятия физически бесконечно малых заряда dq и объема dV. |e|

если заряд распределен по некоторому объемному телу, вводится понятие объемной плотности (см. рис.2.6)

(2.6)

если по поверхности — поверхностной плотности (см.рис.2.7)

(2.7)

если по кривой линии (нити) — линейной плотности (см. рис.2.8)

(2.7)

10. Точечный_заряд.

def: Точечным зарядом называется материальная точка, обладающая зарядом.

В природе точечных зарядов не существует, но если размерами заряженного тела в условиях конкретной задачи можно пренебречь, то можно использовать данную идеализацию. Хорошим приближением можно считать элементарные частицы. Объемную плотность точечного заряда записывают с помощью d -функции Дирака (2.9)

11. О d -функции (математическое отступление).

определение		основное свойство

12. Опыт Милликена(элементарная теория).

Теория была предложена в 1906 году, эксперименты проведены в 1910-1914 годах. “Задача была похожа на случай, когда вам надо найти вес одного яйца, если даны веса большого числа бумажных кульков с яйцами, в каждом из которых находится свое, кроме того неизвестное число яиц”(Ф.А.Саундерс. A Survey of physics, Nеw-York, Henri Holt,1930).

Милликен наблюдал движение мельчайших электрически заряженных капелек. При помощи особого пульверизатора мелкие капли масла вдувались в камеру А (см. рис. 2.10), где они медленно падали на дно. При распылении капли масла заряжаются трением о стенки сосуда и движутся в вязкой среде (в воздухе). Электрическое поле между пластинами конденсатора подбирается так, что капля движется вверх. Движение равномерное, так как вязкое трение.

Теорема о движении центра масс капли (рис.2.11)

В проекциях на ось OY

где m — масса капли, m₀ — масса воздуха в объеме капли. При освещении рентгеновскими лучами, заряд капли меняется, поэтому можно записать

(2.16)

Если поле выключить, то капля будет двигаться вниз:(m-m₀)g=kV₀, тогда

(2.17)

Если заряд имеет дискретную природу, то это отношение должно равняться отношению небольших целых чисел. Кроме того

(2.18)

Оказалось, что изменение заряда также пропорционально величине |e|.

Коэффициент вязкости можно определить методом Стокса из механики.

,

Данные эксперимента: капля падала со скоростью 2,305 см/мин., а поднималась со скоростями 2,516; 1,434; 0,903; 0,365; 1,958 см/мин. Попробуйте прийти к тем же выводам, что и Милликен.

В опытах Милликена заряд капли составлял 10-100 |e|. В 1913 году Иоффе и Добронравов определили элементарный заряд с помощью капель ртути и цинковых пылинок (чтобы уменьшить испарение, и лучше определить массу капель) более точно. Подробное описание этого опыта см. Сивухин §90.

Источник