Mașini electrostatice

Mașinile electrostatice (de inducție) sunt surse de curenți scăzuti (mai rar depășesc 10 μA [1] ) și tensiuni înalte (depășind adesea 100 kV și ajungând până la 10 MV [2] ), în care purtătorii materiale de electricitate sunt încărcați în perechi folosind electrostatic . inducție sau cu utilizarea efectului triboelectric [1] , iar apoi sunt despărțiți de forțe mecanice mai departe unul față de celălalt [3] . Lucrul mecanic efectuat în acest caz împotriva acțiunii forțelor electrice asupra separării sarcinilor în spațiu este transformat în energia unui câmp electric ( diferența de potențial ) [2] .

Din punct de vedere istoric, prima mașină de inducție a fost „ electroforul ” al lui A. Volta (1775), a cărui funcționare a fost explicată de I. K. Vilke în 1777 [3] .

Cum funcționează

Mașinile electrostatice funcționează, de regulă, ciclic, iar acțiunea lor poate fi reprezentată pe diagrama din axele capacitate -tensiune ( C—U ) [2] . În modul cel mai abstract, acțiunea lor constă în transferul mecanic al sarcinii în porțiuni discrete mici de la o sursă cu potențial scăzut (excitator) la un receptor de stocare cu potențial ridicat.

Să presupunem că acumulatorul este inițial descărcat, una dintre plăcile de lucru este nemișcată și împământă. Astfel, raționamentul este simplificat, potențialele sunt numărate de pe placa de împământare.

În punctul A al diagramei, o parte dintre cele mai mari capacități pentru mașină provine de la o sursă cu un potențial scăzut de sarcină . Această capacitate este un condensator cu plăci mobile, care încep să se îndepărteze unele de altele, iar diferența de potențial crește. La un moment dat, una dintre plăci este conectată la un depozit de încărcare de înaltă tensiune la un potențial și cu o capacitate , începând din punctul B, sarcina începe să curgă în depozit. Debitul continuă în punctul D la cea mai mică capacitate și potențial constant (capacitatea de stocare este mare în comparație cu ). Astfel, o parte din încărcare este trimisă către unitatea [2] . $C_{1}$ $U_{1}$ $q_{1}=C_{1}U_{1}$ $U_{2}$ $C_{2}=C_{1}{U_{1} \over U_{2))$ $C_{3}$ $U_{2}$ $C_{3}$ $\delta q=(q_{1}-q_{2})=(C_{2}-C_{3})U_{2)$

În punctul D, placa mobilă cu sarcina reziduală este deconectată de la depozit și începe să se deplaseze înapoi la conexiunea cu o sursă de joasă tensiune la un potențial și, pornind de la punctul E , pe măsură ce capacitatea crește până la, este încărcată la punctul D. . Ciclul este închis, o porțiune din sarcină a depășit diferența de potențial [2] . $q_{2}=C_{3}U_{2}$ $U_{1}$ $C_{1}$ $q_{1}=C_{1}U_{1}$ $\delta q=q_{1}-q_{2}$ $U_{1}-U_{2}$

Din punct de vedere al energiei procesului, mașina transferă energie dintr-o sursă de potențial scăzut și lucru mecanic către un circuit extern . Dacă atunci și , adică energia se obține în principal datorită lucrului mecanic [2] . $W_{1}=\delta qU_{1)$ $W=\delta q(U_{2}-U_{1})$ $C_{2}\ll C_{1}$ $U_{2}\gg U_{1}$ $W_{1}\ll W$

Inactiv

Dacă nu este luat curent de la sursă, iar pierderile de autodescărcare sunt egale cu zero (un caz ideal, de neatins în realitate), pe măsură ce dispozitivul de stocare de înaltă tensiune este încărcat, potențialul va crește tot timpul, iar B-D Transferul liniei de încărcare către dispozitivul de stocare se va deplasa din ce în ce mai sus în diagramă și va deveni pe scurt, deoarece valoarea este stabilită rigid de proiectarea mașinii și, în cele din urmă, se micșorează la punctul F la potențial . Aici mașina și-a atins tensiunea limită înaltă și nu va mai da. $U_{2}$ $C_{3}$ $U_{m)$

Lucru la sarcină

În principiu, mașina nu poate furniza un curent mediu circuitului extern care diferă de , unde este timpul de finalizare a unui ciclu [2] (aceasta rezultă din legea conservării sarcinii ). Considerații suplimentare presupun că mașina nu este scurtcircuitată, adică rezistența circuitului extern este suficient de mare, astfel încât în timpul ciclului dispozitivul de stocare de înaltă tensiune să nu aibă timp să se descarce complet, iar tensiunea să rămână relativ stabilă în timpul ciclului. funcționarea mașinii. Apoi, conform legii lui Ohm , curentul mediu este . Echivalând, obținem , adică . Semnificația expresiei obținute este că pentru o anumită durată de ciclu (în practică, acesta este de obicei timpul unei revoluții a sistemului de mișcare al mașinii), valoarea rezistenței externe determină în mod unic capacitatea de începere a transferului de sarcină, că este, poziția punctului B pe diagramă și valoarea tensiunii (deoarece valoarea este stabilită de proiectarea mașinii). ${\ displaystyle I = {\ delta q \ peste \ Delta t)}$ $\Delta t$ $U_{2}$ $I={U_{2} \over R}$ ${U_{2} \over R} = {(C_{2}-C_{3})U_{2} \over \Delta t)$ $R(C_{2}-C_{3})=\Delta t$ $C_{2}$ $U_{2}$ $C_{3}$

Pe scurt, cu cât rezistența circuitului extern este mai mică, cu atât tensiunea mașinii electrostatice este mai mică .

Tipuri de mașini electrostatice [2]

cu rotoare rigide (cilindri, discuri) - mașini Toepler, Goltz, Wimshurst, Wommelsdorf ;
cu benzi si lanturi flexibile - generator Van de Graaff , peletron ;
cu picurare si transfer de praf - picurator Kelvin .
alte.

Caracteristici ale izolării

Mașinile convenționale cu tensiune scăzută de funcționare funcționează în aer. Pentru a reduce dimensiunile izolatoarelor, mașinile de înaltă tensiune pot fi amplasate într-un mediu cu gaz uscat sub presiune ridicată. Există și structuri evacuate [2] .

Pentru a reduce pierderile de descărcare corona, orice colț și puncte sunt evitate în proiectarea mașinilor (de exemplu, un generator Van de Graaff cu un electrod cu bilă cu un diametru de 80 cm vă permite să acumulați un potențial de până la 750 kV, după care începe o descărcare corona) [4] .

Aplicație [2]

depunere electrostatică: curățare electrogaz , vopsire cu pulbere , electroseparare;
testarea instalatiilor electrice pentru defectarea izolatiei , incercari de protectie la trăsnet ;
demonstrații de curs la cursul de fizică [1] ;
sursă de alimentare pentru acceleratoarele de particule încărcate .

Note

↑ 1 2 3 Mașini electrostatice // E - Electrofon. - M . : Enciclopedia sovietică , 1933, 1935. - Stb. 735-736. - ( Marea Enciclopedie Sovietică : [în 66 de volume] / redactor -șef O. Yu. Schmidt ; 1926-1947, v. 63).
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FES, 1966 .
↑ 1 2 Paul, 1962 , p. 87.
↑ Walter A.K. Fizica nucleului atomic: un eseu de știință populară . - L.-M .: ONTI, ediţia principală a literaturii tehnice generale, 1935. - S. 140. - 296 p. - 5000 de exemplare. (Rusă)

Literatură

Paul R. V. Doctrina electricității \u003d Elektrizitätslehre von Robert Wichard Pohl/ trad. cu el. L. A. Tumerman. - Moscova: Fizmatgiz, 1962. - 516 p. - 35.000 de exemplare. (Rusă)
B. M. Gokhberg. Generator electrostatic // Dicţionar enciclopedic fizic / cap. ed. B. A. Vvedensky, B. M. Vul. - Moscova: Enciclopedia Sovietică, 1966. - V. 5 Spectrul-Luminozitate. - S. 518-519. — 576 p. - 55.000 de exemplare. (Rusă)

citeste si

Walter A.K. și colab. Acceleratoare de particule încărcate electrostatic. - M. , 1963.
Gokhberg BM, Yankov GB Acceleratoare electrostatice ale particulelor încărcate. - M. , 1960.
Dörfel G., Weihreter E. The Fifty Percent Machines — O scurtă istorie a mașinilor de influență și o teorie elementară a eficienței lor: o încercare // Annalen der Physik . - 2020. - P. 2000465. - doi : 10.1002/andp.202000465 .

Dicționare și enciclopedii	Un norvegian grozav Marele Soviet (1 ed.) Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	GND : 4151978-4

Generatoare de înaltă tensiune
Electrostatic	electrofor generator Van de Graaff Pelletron Kelvin picurare
electromagnetic	Bobina Ruhmkorff Transformator Tesla
Electronic	generator Marx Generator Cockcroft-Walton Generator Fitch-Howell