Електростатички генератор

Електростатички генератор или електростатичка машина е електромеханички генератор кој произведува статичка електрична енергија, или електрична енергија на висок напон и ниска континуирана струја. Познавањето на статичката електрична енергија датира од најраните цивилизации, но со милениуми остана само еден интересен и таинствен феномен, без теорија за објаснување на неговото однесување и честопати збунети со магнетизам. До крајот на XVII век, истражувачите развиле практични средства за производство на струја со триење, но развојот на електростатички машини не започнал сериозно до XVIII век, кога тие станале основни инструменти во студиите за новата наука на електрична енергија. Електростатичките генератори работат со користење на рачна (или друга) моќност за трансформирање на механичка работа во електрична енергија. Електростатичките генератори развиваат електростатичко електрични полнења со спротивни знаци направени на два проводници, користејќи само електрични сили, и работат со користење на подвижни плочи, тапани или ремени за да носат електричен полнеж до висок потенцијал електрода. Полнењето е генерирано од еден од двата методи: или either the трибоелектричен ефект (триење) или електростатичка индукција.

Генератор на Ван де Граф, за демонстрирање во училници

Опис

Електростатичките машини обично се користат во научните училници за безбедно демонстрирање на електрични сили и високонапонски појави. Доставените потенцијални разлики се користат и за различни практични примени, како што се оперативни рендгенски цевки, медицински апликации, стерилизација на храна и експерименти со јадрена физика. Електростатичките генератори, како што се Van de Graaff generator, и варијациите како Pelletron, исто така, се користат во истражувањето на физиката.

Електростатичките генератори може да се поделат во две категории во зависност од тоа како се генерира полнежот:

• Машини за триење го користат трибоелектричниот ефект (електрична енергија генерирана од контакт или триење)
• Машините за влијание користат електростатичка индукција

Машини за триење

Историја

Типична машина за триење со користење на стакло свет, вообичаени во 18 век

Првите електростатички генератори се нарекуваат машини за триење поради триење во процесот на генерирање.Примитивна форма на машина со триење беше измислена околу 1663 година од Otto von Guericke, со користење на сулфурна глобуса која можеше да се ротира и нанесуваат со рака. Можеби всушност не се ротираше за време на употребата и не беше наменета за производство на електрична енергија (наместо космички доблести),, but inspired many later machines that used rotating globes. Isaac Newton suggested the use of a glass globe instead of a sulphur one. Францис Хоксби го подобри основниот дизајн, со неговата фрикционална електрична машина која овозможи стаклената сфера брзо да се ротира против волнена ткаенина.

Генераторите понатаму беа напредни кога проф. Георг Матијас Бозе од Витенберг додаде собирен проводник (изолирана цевка или цилиндар поддржан на свилени жици). Бозе беше првиот кој го употреби "проводниот диригент" во таквите машини, ова се состоеше од железна прачка што се држеше во раката на лицето чие тело беше изолирано стоејќи на блок смола.

Во 1746 година, Вилијам Вотсон (научник) машината на Вилијам Вотсон имала големо тркало кое вртело неколку стаклени глобуси (топки) , со меч и куршум поддржувани од свилени кабли како главни спроводници. Јохан Хајнрих Винклер, професор по физика во Лајпциг, ја замени кожна перница за раката. Во текот на 1746, Јан Ингенгус измислил електрични машини изработени од стакло. Експериментите со електричната машина беа во голема мера потпомогнати со откривањето на Лајденската тегла. Оваа рана форма на кондензатор, со проводни премази на двете страни на стаклото, може да акумулира полнеж на електрична енергија кога е поврзан со извор на електромоторна сила. Електричната машина наскоро се подобрила од Ендру (Андреас) Гордон, Шкотланѓанец и професор во Ерфурт, кој го заменил стаклениот цилиндар наместо стаклен глобус; и од Џисинг од Лајпциг кој додаде "гума" која се состои од перниче од волнени материјали. Колекционерот, кој се состои од серија метални бодови, беше додаден на машината од [[Бенџамин Вилсон] Бенјамин Вилсон]] околу 1746 година, а во 1762 година Џон Кантон од Англија (исто така пронаоѓач на првиот електро-електронски пит-топка) ја подобри ефикасноста на електричните машини со попрскување на амалгам од калај преку површината на гумата. Во 1768, Џеси Рамсден изградил широко употребувана верзија на електричен генератор на плочи. Во 1783 г., Холандскиот научник Харлем го дизајнирал големата електростатичка машина со висок квалитет со стаклени дискови со пречник од 1,65 метри за неговите експерименти. Способен за производство на напон со било кој поларитет, тој бил изграден под надзор од Џон Катбертсон (Џон Катбертон) од Амстердам. Генераторот е моментално изложен во Тејлоровиот музеј во Харлем. Во 1785 година, Н. Рулан конструирал машина поврзана за ремени, кои триеле две заземјани цевки покриени со зајачк крзно. Едвард Најн развил електростатички генератор за медицински цели во 1787 година, кој имал способност да генерира или позитивна или негативна електрична енергија, при што првата од нив се собрала од проводниот проводник кој ги носи собирачките точки, а вториот од друг провиден проводник кој го носи триење рампа. Зимската машина поседува поголема ефикасност од претходните машини за триење. Во 1830-тите, Георг Ом поседувал машина слична на машината Ван Марум за неговото истражување (што сега е во Германски музеј, Минхен, Германија). Во 1840 година, машината Вудворд била развиена со подобрување на машината Рамсден, поставувајќи го проводниот проводник над дискот|дисковите. Исто така во 1840 година, Армстронговата хидроелектричната машина беше развиена, користејќи пареа како носител на полнење.

Операција со триење

Присуството на дисбаланс на површинска наполнетост значи дека објектите ќе покажат привлечни или одбивни сили. Овој дисбаланс на површинска обвивка, што доведува до статички електрицитет, може да се генерира со допирање на две различни површини заедно и потоа нивно одвојување поради феноменот на трибоелектричниот ефект. Триење на два непроводливи предмети генерира голема количина статички електрицитет. Ова не е резултат на триење; две неспроводнички површини можат да бидат наелектризирани со поставување еден врз друг. Бидејќи повеќето површини имаат груба текстура, потребно е подолго време за да се постигне полнење преку контакт отколку преку триење. Предметите на триење заедно го зголемуваат количеството на леплив контакт помеѓу двете површини. Обично изолатори, на пример, супстанциите што не спроведуваат електрична енергија, се добри и за генерирање и за одржување, за површински полнеж. Некои примери на овие супстанции се гума, пластика, стакло и растително ткиво. проводен објекти во контакт генерираат дисбаланс на полнеж исто така, но ги задржуваат полнежите само ако се изолирани. Полнежот што се пренесува при електрификација на контактот е зачувана на површината на секој објект. Имајќи на ум дека присуството на електрична струја не го одвлекува вниманието од електростатичките сили, ниту од искри, од корона празнење, или други феномени. И двата феномени може да постават истовремено во истиот систем.

Машини за влијание

Историја

Фрикционите машини биле, со текот на времето, постепено заменети од втората класа на инструменти споменати погоре, имено, машини за влијание . Тие работат со електростатичка индукција и преобразуваат механичка работа во електростатичка енергија со помош на мал почетен полнеж кој континуирано се надополнува и зајакнува. Првиот предлог на машината за влијание се чини дека изникна од пронајдокот на Волтовиот елекрофор' '. Електрофорот е единечен кондензатор кој се користи за производство на дисбаланс на електричен полнеж преку процесот на електростатичка индукција.

Следниот чекор беше кога Аврамен Бенет, пронаоѓачот на златниот лист електроскоп, опиша "двојник на електрична енергија", како уред сличен на електрофорот, но тоа може да го засили малото полнење преку постојани рачни операции со три изолирани плочи, за да може да се забележи во електроскоп. Еразмус Дарвин, В. Вилсон, Г. В. Ц. Боенбергер и (подоцна, во 1841 г.) Ј. Е. Е. Пеклет развиле разни модификации на уредот на Бенет. Френсис Роналдс го автоматизирал генерацискиот процес во 1816 со прилагодување на нишалото како еден од плочите, управувано од часовник или парен мотор - тој го создал уредот за напојување на неговиот електричен телеграф . Bo 1788 година, Вилијам Николсон предложил вртечки двојник, кој може да се смета како прва вртечка машина за влијание. Неговиот инструмент беше опишан како "инструмент кој со вртење на макара произведува две состојби на електрична енергија без триење или комуникација со земјата". (Phil Phil. Trans., 1788, стр. 403) Николсон подоцна го опиша апаратот за "преден кондензатор", како подобар инструмент за мерење.

Други, вклучувајќи го и Т. Кавалдо (кој го развил "Kavaloviot мултипликаторот", множител на полнеж со користење на едноставен додаток, во 1795), Џон Прочитај, Шарл Дезорм и Жан Никола Пјер Хакет[7] Bo 1788 година, Вилијам Николсон предложил вртечки двојник, кој може да се смета како прва вртечка машина за влијание. Неговиот инструмент беше опишан како "инструмент кој со вртење на макара произведува две состојби на електрична енергија без триење или комуникација со земјата". (Phil Phil. Trans., 1788, стр. 403) Николсон подоцна го опиша апаратот за "преден кондензатор", како подобар инструмент за мерење. Други, вклучувајќи го и Т. Кавалдо (кој го развил "Kavaloviot мултипликаторот", множител на полнеж со користење на едноставен додаток, во 1795), Џон Прочитај, Шарл Дезорм и [ [Жан Никола Пјер Хакет[7] Bo 1788 година, Вилијам Николсон предложил вртечки двојник, кој може да се смета како прва вртечка машина за влијание. Неговиот инструмент беше опишан како "инструмент кој со вртење на макара произведува две состојби на електрична енергија без триење или комуникација со земјата". (Phil Phil. Trans., 1788, стр. 403) Николсон подоцна го опиша апаратот за "преден кондензатор", како подобар инструмент за мерење. Други, вклучувајќи го и Т. Кавалдо (кој го развил "Kavaloviot мултипликаторот", множител на полнеж со користење на едноставен додаток, во 1795), Џон Прочитај, Шарл Дезорм и [ [Жан Никола Пјер Хакет, развија понатаму разни форми на вртечки двојници. Во 1798 година, германскиот научник и проповедник Готлиб Кристоф Боенбергер ја опишал машината Bonenberger, заедно со неколку други двојници на Беннет и Николсон во една книга. Најинтересните од овие беа опишани во "Annalen der Physik" (1801). [[Џузепе Бели (физичар)] Џузепе Бели]], во 1831 година, развил едноставен симетричен двојник кој се состоел од две свиткани метални плочи меѓу кои се вртеле парчиња плочи кои се носеле на изолационен столб. Тоа бела првата симетрична машина за влијание, со идентични структури за двата терминала. Овој апарат бел повторно измислен неколкупати, од C.Ф. Варли, кој патентирал верзија со голема моќ во 1860 година, од Лорд Келвин ("пополнувач") 1868, и од А. Д. Мур ("дидро"), неодамна. Лорд Келвин, исто така, измислил комбинирана машина за влијание и електромагнетна машина, која обично се нарекувала мотор кој го вртат глувци, за електрифицирање на мастилото во врска со неговиот сифонски рекордер и електростатички генератор (1867) наречен "'вода-пуштање кондензатор' '".

Холц машина

Помеѓу 1864 и 1880, В. Т. Б. Холц изградиле и опишале голем број на машини за влијание кои биле сметани за најнапредни случувања во тоа време. Во една форма, Холц машина се состоела од стаклен диск монтиран на хоризонтална оска, која можела да се направи со голема брзина, во интеракција со индукциски плочи монтирани на фиксен диск блиску до него. Во 1865 година, Август Ј. И. Тоеплер развил машина за влијание која се состоела од два дискови фиксирани на истата оска и ротирани во иста насока. Во 1868 година, Schwedoff машина имаше чудна структура за зголемување на излезната струја. Исто така, во 1868 година, бile развиени неколку мешани со влијание на триење, вклучувајќи ја машината Кундт и Карреската машина. Во 1866 година, Piche машина (или Bertsch машина беше развиена. Во 1869 година, Х. Јулиус Смит го доби американскиот патент за пренослив и херметички уред кој беше дизајниран да запали во барут. Исто така, во 1869 година, машиниte без сектор во Германија биле испитувани од страна на Поггендорф.

Дејството и ефикасноста на машините за влијание беа дополнително истражени од Ф. Росети, А. Риги и [[Фридрих Кохлеуш (физичар)] Фридрих Кохлауш]]. E. Е. Н. Маскарт, А. Роити, и Е. Bouchotte, исто така, ја испита ефикасноста и сегашната моќ за производство на машини за влијание. Во 1871 година, машините без сектор биле испитувани од Музеус. Во 1872 година, Ригиевиот електрометар беше развиен и беше еден од првите претходници на генераторот Ван де Граф. Во 1873 година, Лејзер ја развил машината Лејзер, варијација на машината Холц. Во 1880 година, [(Роберт Восш)] (производствен инструмент во Берлин) измислил форма на машина во која тврдел дека принципите на Тоеплер и Холц биле комбинирани. Истата структура станува позната како машина "Тоеплеер-Холц".

Електроформирачка машина

Во 1878 година, британскиот изумител Џејмс Вимшурст ги започнал студиите за електростатичките генератори, со што ја подобрил машината Холц, во моќна верзија со повеќе дискови. Класичната машина [Вимшерст], која станала најпопуларна форма на машината за влијание, била пријавена до научната заедница до 1883 година, иако претходните машини со многу слични структури биле претходно опишани од Холц и Музеус. Во 1885 година, една од најголемите Електроформирачки машини била изградена во Англија (сега е во Чикагоскиот музеј за наука и индустрија). Електроформирачка машина е значително едноставна машина; таа функционира, како и сите машини за влијание, со електростатичка индукција на полнењата, што значи дека го користи дури и најмалото постоечко полнење за создавање и акумулирање на повеќе полнежи, и го повторува овој процес онолку долго колку што машината е во акција. Електроформирачките машините се состојат од: две изолирани дискови прикачени на шуплини со спротивна ротација, дисковите имаат мали проводни (обично метални) плочи на нивните надворешни страни; две двојни четки кои служат како стабилизатори за полнење и се исто така место каде што се случува индукција, создавајќи нови обвиненија за собирање; два пара собирни четки, кои, како што имплицира името, собирачите на електрично полнење произведени од машината; две Лајден тегли, кондензатори на машината; пар на електроди, за пренос на давачките откако ќе бидат доволно акумулирани. Едноставната структура и компоненти на Електроформирачка машина го прават тоа заеднички избор за домашен електростатички експеримент или демонстрација, овие одлики беа фактори кои придонесоа за нејзината популарност, како што беше споменато претходно.

Во 1887 година, Вајнхолд ја модифицирал машината Лејзер со систем на вертикални метални индуктори со дрвени цилиндри блиску до дискот за да избегне промена на поларитетот. М. L. Lebiez ја опишал Lebiez машина, која во суштина била поедноставена Voss машина ("L'Electricien", април 1895, pp. 225–227). Во 1893 година, Бонети ја патентирал машината со структура на Електроформирачкa машина, но без метални сектори во дисковите. Таа машина е значително помоќна од сегментираната верзија, но обично мора да се стартува со надворешно применет полнеж.

Во 1898 година, Pidgeon машина беше развиенa со уникатна поставеност на В. Р. Пидгеон. На 28 октомври истата година, Пидгеон ја претстави оваа машина на Физичкото друштво по неколкугодишна истрага за влијателни машини (почнувајќи од почетокот на деценијата). Уредот подоцна беше објавен во "Филозофскиот магазин" (декември 1898, стр 564) и "Електричен преглед" (том XLV, стр 748). Пидгеоновата машина поседува фиксен индуктор нареден на начин кој го зголемува електричниот индукциски ефект (и неговиот електричен излез е најмалку двојно од типичните машини од овој тип [освен кога е презасиден]). Суштествените одлики на Пидгеоновата машината се, еден, комбинацијата на вртежниот потпирач и фиксната поддршка за поттикнување на полнење, и, два, подобрена изолација на сите делови на машината (но особено на носачите на генераторот). Пидгеоновата машините е комбинација од Електроформирачка машина и Voss Machine, со специјални одлики прилагодени за намалување на износот на истекување на полнеж. Пидгеоновите машини се aktiviraat побрзо од најдобрите од овој тип на машини. Покрај тоа, Пидгеон истражуваше машини за сектори со повисока струја (или "двојни машини со еден централен диск") со затворени сектори (и за овој тип на машина добија британски патент 22517 (1899)).

Машините со повеќе дискови и "триплекс" електростатичките машини (генератори со три дискови), исто така, беа развиени во голема мера околу крајот на 20 век. Во 1900 година, Ф. Тудсбери откри дека приклучувањето на генератор во метална комора содржи компримиран воздух, или подобро, јаглерод диоксид, изолациски својства на компримирани гасови овозможила многу подобар ефект добиен како резултат на зголемувањето на дефектниот напон на компримиран гас и намалување на истекувањето низ плочите и изолационите носачи. Во 1903 година, Алфред Вехрсен патентирал вртечки диск со ебонит кој поседува вградени сектори со копчиња на површината на дискот. Во 1907 година, Хајнрих Воммсдорф пријавил варијација на машината Холц користејќи го овој диск и намотките вградени во целулоидни плочи (DE154175; "Вехрсен машина"). Вомелсдорф, исто така, разви неколку електростатички генератори со високи перформанси, од кои најпознати се неговите "машини за кондензатори" (1920). Ова беа машини со единечни дискови, користејќи дискови со вградени сектори на кои им пристапија на рабовите.

Современи електростатички генератори

Електростатичките генератори имале фундаментална улога во истрагите за структурата на материјата, почнувајќи од крајот на 19 век. До 1920-тите, беше очигледно дека се потребни машини кои можат да произведат поголем напон.

Ван де Граф

Генератор на Ван де Граф беше измислен од американски физичар Роберт Ј. Ван де Граф во 1929 година во МИТ како акцелератор на честички. Првиот модел беше демонстриран во октомври 1929 година. Во Ван де Графовата машина, изолациски појас транспортира електричен полнеж во внатрешноста на изолиран шуплив метал висок напон, каде што се пренесува на терминалот со "чешел" од метални точки. Предноста на дизајнот бил дека бидејќи немало електрично поле во внатрешноста на терминалот, полнењето на ременот можело да продолжи да се испушта на терминалот, без оглед на тоа колку е висок напонот на терминалот. Така, единствената граница на напонот на машината е јонизација на воздухот до терминалот. Ова се случува кога електричното поле на терминалот ја надминува диелектричната јачина на воздухот, околу 30 kV по сантиметар. Бидејќи највисокото електрично поле се произведува во остри точки и рабови, терминалот се прави во форма на мазна шуплива сфера; колку е поголем пречникот толку е поголем напонот. Првата машина користела лента од свила како транспорт појас. Во 1931 година, верзијата која може да произведе 1.000.000 волти беше опишана во откривање на патент.

Генераторот на Ван де Граф бил успешен акцелератор на честички, создавајќи највисоки енергии до крајот на 1930-тите, кога циклотронот го заменил. Напонот на машините на Ван де Граф на отворено е ограничен на неколку милиони волти со разредување на воздухот. Повисоки напони, до околу 25 мегаволи, беа постигнати со затворање на генераторот во резервоар од изолиран гас под притисок. Овој тип на Ван де Граф акцелератор на честички сè уште се користи во медицината и истражувањата. Исто така, биле измислени и други варијации за физички истражувања, како што е Пелетрон, кој користи синџир со наизменични изолациони и врски за пренос на полнеж.

Малите генератори на Ван де Граф најчесто се користат во научниот музеј и научното образование за да ги демонстрираат принципите на статичко струја. Познат приказ на ова е кога човек ќе ја допре високонапонската терминала, стоејќи на изолирана подлога;високиот напон ја електризира косата на личноста, предизвикувајќи прамените да се издигнат од косата.

EWICON

Електростатичкиот претворач на енергијата на ветерот, EWICON, е развиен од страна на Факултетот за електротехника, математика и информатика на Делфт Универзитетот за технологија (ТУ Делфт). Освен ветерот, нема движечки делови. Се напојува со ветрот што ги носи наелектризираните честички од својот колектор.

Дополнителна наука и уреди

Овие генератори се користат, понекогаш несоодветно и со некоја контроверзност, за поддршка на разни научни истражувања. Во 1911 година Џорџ Самуел Пиггот добил патент за компактна двојна машина затворена во кутија под притисок за неговите експерименти во врска со радиотелеграфијата и "антигравитацијата". Многу подоцна (во 1960-тите години), машината позната како "Testatika" била изградена од германскиот инженер Пол Свис Бауман, а промовирана од швајцарската заедница, Methernitha ns. Тестатика е електромагнетен генератор заснован на електростатичката Пидгеонова машина од 1898 година, за производство на "слободна енергија" достапна директно од околината.

Поврзано

• Електростатички мотор
• Електрометар (исто така познат како "електроскоп")
• Електрет
• Статична струја