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

Что такое электрическое поле, его классификация и характеристики

Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.

Определение

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.

Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].

Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.

Рис. 1. Определение понятия «электрическое поле»

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.

Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.

Характерные физические свойства:

• реагирует на присутствие заряженных частиц;
• взаимодействует с магнитными полями;
• является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
• поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.

Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.

Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.

Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Однородное электрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.

В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).

Рис. 2. Пример однородности

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3). Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4). Их неоднородность очевидна.

Рис. 3. Электрический диполь Рис. 4. Вихревые поля

Характеристики

Основными характеристиками являются:

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ =W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которая потенциально может быть потрачена на выполнение работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.

Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ_∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.

Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.

Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.

Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости

Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε₀⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.

Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.

Для общего случая распределения зарядов имеем:

Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:

• электростатического;
• дипольного;
• системы и одноимённых зарядов;
• однородного поля.

Рис. 7. Линии напряжённости различных полей

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.

Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.

Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.

Методы расчета электрического поля

Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:

• метод сеток или конечных разностей;
• метод эквивалентных зарядов;
• вариационные методы;
• расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.

На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.

Источник