Электростатический генератор

Генератор Ван де Граафа для демонстраций в классе.

12-дюймовая четырехсекторная бессекторная машина Вимшерста (машина Бонетти)

Электростатический генератор , или электростатическая машина , представляет собой электрический генератор , который производит статическое электричество или электричество высокого напряжения и низкого постоянного тока . Знания о статическом электричестве восходят к самым ранним цивилизациям, но на протяжении тысячелетий оно оставалось просто интересным и загадочным явлением без теории, объясняющей его поведение, и его часто путали с магнетизмом. К концу 17 века исследователи разработали практические способы получения электричества путем трения, но всерьез разработка электростатических машин не началась до 18 века, когда они стали фундаментальными инструментами в исследованиях новой науки об электричестве .

Электростатические генераторы работают, используя ручную (или другую) энергию для преобразования механической работы в электрическую энергию или используя электрический ток . Ручные электростатические генераторы создают электростатические заряды противоположных знаков, передаваемые на два проводника, используя только электрические силы, и работают за счет использования движущихся пластин, барабанов или ремней для переноса электрического заряда на с высоким потенциалом электрод .

Описание

Электростатические машины обычно используются в научных классах для безопасной демонстрации электрических сил и явлений высокого напряжения. Достигнутая повышенная разность потенциалов также использовалась для различных практических применений, таких как работа рентгеновских трубок , ускорителей частиц , спектроскопия , медицинское применение, стерилизация продуктов питания и эксперименты по ядерной физике. Электростатические генераторы, такие как генератор Ван де Граафа , и его вариации, такие как Пеллетрон , также находят применение в физических исследованиях.

Электростатические генераторы можно разделить на категории в зависимости от способа генерации заряда:

• В машинах трения используется трибоэлектрический эффект (электричество, вырабатываемое при контакте или трении).
• Машины воздействия используют электростатическую индукцию.
• Другие

Машины трения

История

Типичная машина трения со стеклянным шаром, распространенная в 18 веке.

Мартинуса ван Марума Электростатический генератор в музее Тейлера

Первые электростатические генераторы получили название машин трения из-за трения в процессе генерации. Примитивная форма фрикционной машины была изобретена примерно в 1663 году Отто фон Герике с использованием серного шара, который можно было вращать и тереть вручную. Возможно, на самом деле он не вращался во время использования и не предназначался для производства электричества (скорее космических достоинств). но вдохновил многие более поздние машины, в которых использовались вращающиеся земные шары. Исаак Ньютон предложил использовать стеклянный шар вместо серного. Около 1706 года Фрэнсис Хоксби усовершенствовал базовую конструкцию. с его электрической машиной трения, которая позволяла быстро вращать стеклянный шар относительно шерстяной ткани.

Генераторы получили дальнейшее развитие, когда около 1730 года профессор Георг Маттиас Бозе из Виттенберга добавил коллекторный проводник (изолированную трубку или цилиндр, поддерживаемый шелковыми струнами). Бозе был первым, кто применил в таких машинах « первичный проводник », состоящий из железного стержня, который держал в руке человек, тело которого было изолировано, стоя на блоке смолы.

В 1746 году машина Уильяма Уотсона имела большое колесо, вращающее несколько стеклянных шаров, с мечом и стволом пистолета, подвешенными на шелковых шнурах в качестве главных проводников. Иоганн Генрих Винклер , профессор физики из Лейпцига , заменил руку кожаной подушкой. В 1746 году Ян Ингенхауз изобрел электрические машины из листового стекла. Экспериментам с электрической машиной во многом способствовало изобретение Лейденской банки . Эта ранняя форма конденсатора с проводящими покрытиями по обе стороны стекла может накапливать заряд электричества при подключении к источнику электродвижущей силы.

Электрическая машина вскоре была усовершенствована Эндрю (Андреасом) Гордоном , шотландцем и профессором из Эрфурта, который заменил стеклянный шар стеклянным цилиндром; и Гиссинг из Лейпцига, который добавил «резину», состоящую из подушки из шерстяного материала. Коллектор, состоящий из ряда металлических наконечников, был добавлен к машине Бенджамином Уилсоном около 1746 года, а в 1762 году Джон Кантон из Англии (также изобретатель первого пробкового электроскопа) улучшил эффективность электрических машин путем разбрызгивания амальгама олова на поверхности резины. В 1768 году Джесси Рамсден сконструировал широко используемую версию пластинчатого электрического генератора.

В 1783 году голландский учёный Мартин ван Марум из Харлема сконструировал для своих экспериментов большую электростатическую машину высокого качества со стеклянными дисками диаметром 1,65 метра. Способный вырабатывать напряжение любой полярности, он был построен под его руководством Джоном Катбертсоном из Амстердама в следующем году. Генератор в настоящее время выставлен в музее Тейлера в Харлеме.

В 1785 Н. Руланд сконструировал машину с шелковым поясом, которая натирала две заземленные трубки, покрытые заячьим мехом. Эдвард Нэрн разработал электростатический генератор для медицинских целей в 1787 году, который обладал способностью генерировать как положительное, так и отрицательное электричество, первое из которых собиралось с основного проводника, несущего точки сбора, а второе - с другого основного проводника, несущего фрикционную накладку. Зимняя машина обладали более высоким КПД, чем более ранние машины трения.

В 1830-х годах Георг Ом для своих исследований имел машину, похожую на машину Ван Марума (которая сейчас находится в Немецком музее , Мюнхен, Германия). В 1840 году машина Вудворда была разработана путем усовершенствования машины Рамсдена 1768 года, в которой главный проводник был размещен над диском (дисками). Также в 1840 году была разработана гидроэлектрическая машина Армстронга , использующая пар в качестве носителя заряда.

Операция трения

Наличие дисбаланса поверхностного заряда означает, что объекты будут проявлять силы притяжения или отталкивания. Этот дисбаланс поверхностного заряда, который приводит к статическому электричеству, может быть создан путем соприкосновения двух разных поверхностей вместе, а затем их разделения из-за явления трибоэлектрического эффекта . Трение двух непроводящих предметов может привести к образованию большого количества статического электричества. Это не результат трения; две непроводящие поверхности могут стать заряженными, просто положив одну на другую. Поскольку большинство поверхностей имеют шероховатую текстуру, зарядка при контакте занимает больше времени, чем при трении. Трение предметов друг о друга увеличивает степень клеевого контакта между двумя поверхностями. Обычно изоляторы , например вещества, которые не проводят электричество, хорошо генерируют и удерживают поверхностный заряд. Некоторыми примерами этих веществ являются резина , пластик , стекло и сердцевина . Контактирующие проводящие объекты также создают дисбаланс зарядов, но сохраняют заряды только в том случае, если они изолированы. Заряд, передаваемый при контактной электризации, сохраняется на поверхности каждого объекта. Обратите внимание, что наличие Электрический ток не влияет ни на электростатические силы, ни на искрение, коронный разряд или другие явления. Оба явления могут существовать одновременно в одной системе.

Машины влияния

История

Машины трения со временем постепенно были вытеснены вторым классом упомянутых выше инструментов, а именно машинами влияния . Они действуют за счет электростатической индукции и преобразуют механическую работу в электростатическую энергию с помощью небольшого первоначального заряда, который постоянно пополняется и усиливается. выросло из изобретения Вольта электрофора Первое предположение о машине влияния, кажется , . Электрофор — это однопластинчатый конденсатор, используемый для создания дисбаланса электрического заряда посредством процесса электростатической индукции.

Следующим шагом было то, что Абрахам Беннет , изобретатель электроскопа с сусальным золотом , описал « удвоитель электричества » (Phil. Trans., 1787), как устройство, похожее на электрофор, но способное усиливать небольшой заряд посредством повторные ручные операции с тремя изолированными пластинами, чтобы сделать их видимыми в электроскоп. В 1788 году Уильям Николсон предложил свой вращающийся удвоитель, который можно считать первой вращающейся машиной воздействия. Его инструмент был описан как «инструмент, который путем поворота лебедки производит два состояния электричества без трения и связи с землей». (Phil. Trans., 1788, стр. 403) Позже Николсон описал аппарат «вращающийся конденсатор» как лучший инструмент для измерений.

Эразм Дарвин , В. Уилсон, Г.К. Боненбергер и (позже, в 1841 г.) Дж. К. Пекле разработали различные модификации устройства Беннета 1787 года. Фрэнсис Рональдс автоматизировал процесс генерации в 1816 году, приспособив в качестве одной из пластин качающийся маятник, приводимый в движение часовым механизмом или паровым двигателем — он создал устройство для питания своего электрического телеграфа .

Другие, в том числе Т. Кавалло (который разработал « множитель Кавалло », множитель заряда, использующий простое сложение, в 1795 году), Джон Рид , Чарльз Бернар Десорм и Жан Николя Пьер Ашетт , разработали в дальнейшем различные формы вращающихся удвоителей. В 1798 году немецкий учёный и проповедник Готлиб Кристоф Боненбергер описал машину Боненбергера в книге вместе с несколькими другими удвоителями типов Беннета и Николсона. Наиболее интересные из них были описаны в «Анналах физики» (1801 г.). Джузеппе Белли в 1831 году разработал простой симметричный дублер, который состоял из двух изогнутых металлических пластин, между которыми вращалась пара пластин, закрепленных на изолирующем стержне. Это была первая симметричная машина влияния с одинаковой структурой обоих терминалов. Этот аппарат несколько раз изобретался заново: К. Ф. Варли , который запатентовал версию высокой мощности в 1860 году, лордом Кельвином («пополняющий запас») в 1868 году и А. Д. Муром («дирод») совсем недавно. Лорд Кельвин также изобрел комбинированную машину влияния и электромагнитную машину, обычно называемую Мышиная мельница для электрификации чернил в сочетании с его сифонным записывающим устройством и электростатический генератор с каплями воды (1867 г.), который он назвал « конденсатором с каплями воды ».

машина Хольца

Машина влияния Хольца

Между 1864 и 1880 годами ВТБ Хольц сконструировал и описал большое количество машин влияния, которые считались наиболее передовыми разработками того времени. В одном из вариантов машина Хольца состояла из стеклянного диска, установленного на горизонтальной оси, который можно было заставить вращаться со значительной скоростью с помощью умножающей шестерни, взаимодействующей с индукционными пластинами, установленными на неподвижном диске рядом с ней. В 1865 году Август Дж. И. Теплер разработал машину влияния, состоящую из двух дисков, закрепленных на одном валу и вращающихся в одном направлении. В 1868 году машина Шведоффа имела любопытную конструкцию для увеличения выходного тока. Также в 1868 году было разработано несколько машин смешанного трения-воздействия, в том числе машина Кундта и машина Карре . В 1866 году была разработана машина Пише (или машина Берча ). В 1869 году Х. Джулиус Смит получил американский патент на портативное и герметичное устройство, предназначенное для воспламенения пороха. Также в 1869 году бессекторные машины в Германии исследовал Поггендорф .

Действие и эффективность машин влияния исследовали далее Ф. Россетти , А. Риги , Фридрих Кольрауш . Э. Э. Н. Маскарт , А. Ройти и Э. Бушотт также исследовали эффективность и текущую производственную мощность машин влияния. В 1871 году Мусей исследовал бессекторные машины. В 1872 году был разработан электрометр Риги , который стал одним из первых предшественников генератора Ван де Граафа. В 1873 году Лейзер разработал машину Лейзера , разновидность машины Хольца. В 1880 году Роберт Восс (берлинский производитель инструментов) разработал машину, в которой, как он утверждал, были объединены принципы Теплера и Хольца. Эта же структура стала также известна как машина Теплера – Хольца .

Машина Уимшерста

Основная статья: машина Уимшерста

Маленькая машина Уимшерста

В 1878 году британский изобретатель Джеймс Вимшерст начал исследования электростатических генераторов, усовершенствовав машину Хольца в мощной версии с несколькими дисками. О классической машине Уимшерста, которая стала самой популярной формой машины влияния, было сообщено научному сообществу в 1883 году, хотя предыдущие машины с очень похожей структурой ранее были описаны Хольцем и Мусеем. В 1885 году в Англии была построена одна из крупнейших когда-либо машин Уимшерста (сейчас она находится в Чикагском музее науки и промышленности ). Машина Уимшерста — довольно простая машина; он работает, как и все влияющие машины, с помощью электростатической индукции зарядов, что означает, что он использует даже малейший существующий заряд для создания и накопления новых зарядов, и повторяет этот процесс до тех пор, пока машина находится в действии. Машины Вимшерста состоят из: двух изолированных дисков, прикрепленных к шкивам противоположного вращения; на обращенных наружу сторонах диски имеют небольшие проводящие (обычно металлические) пластины; две двусторонние щетки, которые служат стабилизаторами заряда, а также являются местом, где происходит индукция, создавая новые заряды, которые необходимо собрать; две пары собирающих гребен, которые, как следует из названия, являются коллекторами электрического заряда, производимого машиной; две лейденские банки, конденсаторы машины; пара электродов для передачи зарядов после их достаточного накопления. Простая конструкция и компоненты машины Вимшерста делают ее популярным выбором для самодельных электростатических экспериментов или демонстраций. Эти характеристики, как упоминалось ранее, способствовали ее популярности.

В 1887 году Вейнхольд модифицировал машину Лейзера, добавив систему индукторов с вертикальными металлическими стержнями и деревянными цилиндрами, расположенными рядом с диском, чтобы избежать переполюсовки. М. Л. Лебье описал машину Лебье , которая по сути представляла собой упрощенную машину Восса ( «L'Électricien» , апрель 1895 г., стр. 225–227). В 1893 году Луи Бонетти запатентовал машину со структурой машины Уимшерста, но без металлических секторов в дисках. Эта машина значительно мощнее секторной версии, но ее обычно нужно запускать с помощью внешнего заряда.

Пиджон-машина

В 1898 году машина Pidgeon была разработана с использованием уникальной установки WR Pidgeon . 28 октября того же года Пиджон представил эту машину Физическому обществу после нескольких лет исследований машин влияния (начиная с начала десятилетия). Позже об устройстве сообщалось в Philosophical Magazine (декабрь 1898 г., стр. 564) и Electrical Review (том XLV, стр. 748). Машина Пиджена оснащена фиксированными электростатическими индукторами, расположенными таким образом, чтобы увеличивать эффект электростатической индукции (и ее электрическая мощность как минимум вдвое выше, чем у типичных машин этого типа [за исключением случаев, когда она перегружена]). Существенными особенностями машины Пиджена являются, во-первых, комбинация вращающейся опоры и неподвижной опоры для создания заряда, а также, во-вторых, улучшенная изоляция всех частей машины (особенно держателей генератора). Машины Pidgeon представляют собой комбинацию машин Wimshurst и Voss Machine со специальными функциями, адаптированными для уменьшения количества утечки заряда. Машины Pidgeon возбуждаются быстрее, чем лучшие машины этого типа. Кроме того, Пиджон исследовал более современные машины с «триплексными» секциями (или «двойные машины с одним центральным диском») с закрытыми секторами (и получил британский патент 22517 (1899) на этот тип машин).

Многодисковые машины и «триплексные» электростатические машины (генераторы с тремя дисками) также получили широкое развитие на рубеже 20 века. В 1900 году Ф. Тадсбери обнаружил, что, заключая генератор в металлическую камеру, содержащую сжатый воздух , а лучше углекислый газ , изолирующие свойства сжатых газов позволяют получить значительно улучшенный эффект за счет увеличения пробивного напряжения сжатых газов. газа и уменьшение утечек через пластины и изолирующие опоры. В 1903 году Альфред Версен запатентовал вращающийся эбонитовый диск со встроенными секторами с кнопочными контактами на поверхности диска. В 1907 году Генрих Воммельсдорф сообщил о вариации машины Хольца, в которой использовался этот диск и индукторы, встроенные в целлулоидные пластины (DE154175; « Машина Версена »). Воммельсдорф также разработал несколько высокопроизводительных электростатических генераторов, из которых наиболее известными были его «Конденсаторные машины» (1920). Это были однодисковые машины, в которых использовались диски со встроенными секторами, доступ к которым осуществлялся по краям.

Ван де Грааф

Основная статья: генератор Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа был изобретен американским физиком Робертом Дж. Ван де Граафом в 1929 году в Массачусетском технологическом институте в качестве ускорителя частиц. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года. В машине Ван де Граафа изолирующий ремень переносит электрический заряд внутрь изолированной полой металлической клеммы высокого напряжения, где он передается на клемму с помощью «гребешки» из металлических наконечников. Преимущество конструкции заключалось в том, что, поскольку внутри терминала не было электрического поля, заряд на ремне мог продолжать разряжаться на терминал независимо от того, насколько высоким было напряжение на терминале. Таким образом, единственным ограничением напряжения на машине является ионизация воздуха рядом с клеммой. Это происходит, когда электрическое поле на клемме превышает диэлектрическую прочность воздуха, примерно 30 кВ на сантиметр. Поскольку наибольшее электрическое поле создается в острых точках и краях, клемма выполнена в виде гладкой полой сферы; чем больше диаметр, тем выше достигается напряжение. Первая машина использовала шелковую ленту, купленную в магазине за пять центов, в качестве ремня для транспортировки заряда. В 1931 году в патентном описании была описана версия, способная производить 1 000 000 вольт.

Генератор Ван де Граафа был успешным ускорителем частиц, производившим самые высокие энергии до конца 1930-х годов, когда циклотрон его заменил . Напряжение на машинах Ван де Граафа на открытом воздухе ограничивается несколькими миллионами вольт из-за пробоя воздуха. Более высокие напряжения, примерно до 25 мегавольт, были достигнуты за счет помещения генератора в резервуар с изолирующим газом под давлением. Этот тип ускорителя частиц Ван де Граафа до сих пор используется в медицине и исследованиях. Для физических исследований были изобретены и другие варианты, такие как Пеллетрон , в котором для переноса заряда используется цепь с чередующимися изолирующими и проводящими звеньями.

Маленькие генераторы Ван де Граафа обычно используются в научных музеях и учебных заведениях для демонстрации принципов статического электричества. Популярной демонстрацией является то, что человек прикасается к клемме высокого напряжения, стоя на изолированной опоре; высокое напряжение заряжает волосы человека, в результате чего пряди выпадают из головы.

Другие

См. Также: Электрофильтр.

Не все электростатические генераторы используют трибоэлектрический эффект или электростатическую индукцию. Электрические заряды могут генерироваться непосредственно электрическими токами. Примерами являются ионизаторы и пистолеты ESD .

Приложения

Ионный двигатель с решеткой

См. Также: Ионный двигатель с решеткой.

ЭВИКОН

Электростатический безлопастной ионный ветрогенератор EWICON был разработан Школой электротехники, математики и информатики Делфтского технологического университета (TU Delft). Он стоит рядом с архитектурной фирмой Mecanoo. Основными разработчиками были Йохан Смит и Дирадж Джайрам. Кроме ветра, у него нет движущихся частей. Он приводится в действие ветром, уносящим заряженные частицы из коллектора. Конструкция страдает низкой эффективностью.

Голландское ветроколесо

Технология, разработанная для EWICON, была повторно использована в голландском ветроколесе.

Ионизатор воздуха

См. Также: Ионизатор воздуха.

Передовая наука и устройства

Эти генераторы использовались, иногда неуместно и с некоторыми противоречиями, для поддержки различных научных исследований. В 1911 году Джордж Сэмюэл Пигготт получил патент на компактную двойную машину, заключенную в герметичный ящик, для своих экспериментов по радиотелеграфии и « антигравитации ». Намного позже (в 1960-х годах) машина, известная как «Тестатика», была построена немецким инженером Паулем Сюиссом Бауманом и продвигалась швейцарским сообществом Метернитанс . Тестатика — это электромагнитный генератор, основанный на электростатической машине Пиджена 1898 года, который, как говорят, производит «свободную энергию», доступную непосредственно из окружающей среды.

См. также

• Электростатический двигатель
• Электрометр (также известный как «электроскоп»)
• Электрет
• Статическое электричество

Дальнейшее чтение

• Готлиб Кристоф Боненбергер : Описание различных удвоителей электричества на новом объекте, а также ряд экспериментов. различные предметы д. Теория электричества [Описание различных электрических удвоителей нового устройства, а также ряд экспериментов по различным предметам электричества] Тюбинген 1798 г.
• Хольц, В. (1865). «О новой электрической машине» . Анналы физики и химии (на немецком языке). 202 (9). Уайли: 157–171. Бибкод : 1865АнП...202..157H . дои : 10.1002/andp.18652020911 . ISSN   0003-3804 .
• Вильгельм Гольц: более высокий заряд на изолирующих поверхностях за счет бокового натяжения и перенос этого принципа на конструкцию индукционных машин. В: Иоганн Поггендорф, К.Г. Барт (ред.): Анналы физики и химии. 130, Лейпциг 1867, стр. 128–136.
• Вильгельм Хольц: Машина влияния. В: Ф. Поске (ред.): Анналы физики и химии. Юлиус Шпрингер, Берлин 1904 г. (семнадцатый год, четвертый выпуск).
• О. Леманн: Доктор. Физическая техника Дж. Фрика. 2, Фридрих Видег и сын, Брауншвейг, 1909 г., с. 797 (раздел 2).
• Ф. Поске: Новые формы машин влияния. В: Ф. Поске (ред.) по физико-химическому образованию. журнал Юлиус Шпрингер, Берлин, 1893 г. (седьмой год, второй номер).
• К. Л. Стонг, « Электростатические двигатели приводятся в действие электрическим полем Земли ». Октябрь 1974 г. (PDF)
• Ефименко Олег Дмитриевич , « Электростатические двигатели: их история, типы и принципы работы ». Электрет Сайентифик, Звездный городок, 1973.
• Г. В. Фрэнсис (автор) и Олег Д. Ефименко (редактор), « Электростатические эксперименты: энциклопедия ранних электростатических экспериментов, демонстраций, устройств и аппаратов ». Электрет Сайентифик, Звездный городок, 2005.
• В. Е. Джонсон, « Современные высокоскоростные машины воздействия; их принципы, конструкция и применение в радиографии, радиотелеграфии, искровой фотографии, электрокультуре, электротерапии, воспламенении газа под высоким напряжением и испытании материалов ». ISBN B0000EFPCO
• Саймон, Альфред В. (1 ноября 1924 г.). «Количественная теория влияния электростатического генератора» . Физический обзор . 24 (6). Американское физическое общество (APS): 690–696. Бибкод : 1924PhRv...24..690S . дои : 10.1103/physrev.24.690 . ISSN   0031-899X . ПМЦ   1085669 . ПМИД   16576822 .
• Дж. Клерк Максвелл, Трактат об электричестве и магнетизме (2-е изд., Оксфорд, 1881 г.), том. айпи 294
• Джозеф Дэвид Эверетт , Электричество (расширение части III Огюстена Прива-Дешанеля «Натурфилософии» ) (Лондон, 1901), гл. iv. п. 20
• А. Винкельманн, Handbuch der Physik (Бреслау, 1905), вып. iv. стр. 50–58 (содержит большое количество ссылок на оригинальные статьи)
• Дж. Грей, « Машины электрического воздействия, их историческое развитие и современные формы [с инструкцией по их изготовлению] » (Лондон, I903). (ЯФ)
• Сильванус П. Томпсон , Машина влияния от Николсона – 1788–1888, Journ. Соц. Тел. Англ., 1888, 17, с. 569
• Джон Манро, История электричества (Проект Гутенберг Etext)
• А. Д. Мур (редактор), « Электростатика и ее приложения ». Уайли, Нью-Йорк, 1973 год.
• Олег Дмитриевич Ефименко (совместно с Д.К. Уокером), « Электростатические двигатели ». Физ. Учите. 9, 121–129 (1971).
• Пиджон, WR (1892). «Машина влияния» . Труды Лондонского физического общества . 12 (1). Издательство ИОП: 406–411. Бибкод : 1892PPSL...12..406P . дои : 10.1088/1478-7814/12/1/327 . ISSN   1478-7814 .
• Пиджон, WR (1897). «Машина влияния». Труды Лондонского физического общества . 16 (1). Издательство ИОП: 253–257. Бибкод : 1897PPSL...16..253P . дои : 10.1088/1478-7814/16/1/330 . ISSN   1478-7814 .

Внешние ссылки

• Электростатический генератор – интерактивное руководство по Java Национальная лаборатория сильных магнитных полей
• Флеминг, Джон Амброуз (1911). «Электрическая машина» . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 176–179.
• « Как это работает: Электричество ». triquartz.co.uk.