Elektrosztatikus gépek

Az elektrosztatikus (indukciós) gépek alacsony (ritkán 10 μA-t meghaladó [1] ) és nagyfeszültségű (gyakran 100 kV-ot meghaladó és akár 10 MV-t is elérő [2] ) áramforrások, amelyekben az elektromosság anyaghordozóit párban töltik fel elektrosztatikusan . indukcióval vagy a triboelektromos effektus alkalmazásával [1] , majd egymáshoz képest távolabbi mechanikai erők viszik szét [3] . Az ebben az esetben végzett mechanikai munka az elektromos erők térbeli töltések szétválása ellenében elektromos tér energiájává alakul ( potenciálkülönbség ) [2] .

Történelmileg az első indukciós gép A. Volta " elektroforja " volt (1775), amelynek működését I. K. Vilke magyarázta el 1777-ben [3] .

Hogyan működik

Az elektrosztatikus gépek főszabály szerint ciklikusan működnek, hatásukat a diagramon a kapacitás - feszültség ( C—U ) tengelyekben ábrázolhatjuk [2] . A legelvontabb módon működésük a töltés mechanikus átvitele kis, diszkrét részekben egy alacsony potenciálú forrásból (gerjesztőből) egy nagy potenciálú tárolóvevőbe.

Tegyük fel, hogy az akkumulátor kezdetben lemerült, az egyik munkalap mozdulatlan és földelt. Így az érvelés leegyszerűsödik, a potenciálokat a földelt lemezről számolják.

A diagram A pontjában a gép legnagyobb kapacitása egy alacsony potenciális töltésű forrásból származik . Ez a kapacitás egy kondenzátor mozgatható lemezekkel, amelyek elkezdenek távolodni egymástól, és a potenciálkülönbség nő. Valamikor az egyik lemez nagyfeszültségű töltéstárolóhoz csatlakozik potenciálon és kapacitással , a B pontból kiindulva a töltés elkezd befolyni a tárolóba. Az áramlás a legkisebb kapacitással és állandó potenciállal folytatódik a D pontban (a tárolókapacitás nagy a -hoz képest ). Így a töltés egy része a meghajtóra kerül [2] . $C_{1}$ $U_{1}$ $q_{1}=C_{1}U_{1}$ $U_{2}$ $C_{2}=C_{1}{U_{1} \over U_{2))$ $C_{3}$ $U_{2}$ $C_{3}$ ${\displaystyle \delta q=(q_{1}-q_{2})=(C_{2}-C_{3})U_{2))$

A D pontban a maradék töltéssel ellátott mozgatható lemezt leválasztják a tárolóról, és egy potenciálon elkezd visszamozdulni a kisfeszültségű forrással való kapcsolatra, majd az E pontból kiindulva , ahogy a kapacitás növekszik -ig, feltöltődik . A ciklus zárt, a töltés egy része áthaladt a potenciálkülönbségen [2] . $q_{2}=C_{3}U_{2}$ $U_{1}$ $C_{1}$ $q_{1}=C_{1}U_{1}$ $\delta q=q_{1}-q_{2}$ $U_{1}-U_{2}$

A folyamat energiája szempontjából a gép alacsony potenciálú forrásból és mechanikai munkából energiát ad át egy külső áramkörnek . Ha ekkor és , vagyis az energiát főként mechanikai munka eredményeként nyerjük [2] . ${\displaystyle W_{1}=\delta qU_{1))$ $W=\delta q(U_{2}-U_{1})$ $C_{2}\ll C_{1}$ $U_{2}\gg U_{1}$ $W_{1}\ll W$

Üresjárat

Ha a forrásból nem veszünk áramot, és az önkisülési veszteségek nullával egyenlőek (ideális, a valóságban elérhetetlen eset), a nagyfeszültségű tárolóeszköz feltöltésekor a potenciál folyamatosan nő, és a B-D A tárolóeszközre történő töltésátvitel vonala egyre feljebb és feljebb fog mozogni a diagramon, és röviden lesz, mert az értéket a gép kialakítása mereven szabja meg, és végül az F pontig zsugorodik a potenciálon . Itt a gép elérte a határértékét, és nem ad tovább. $U_{2}$ $C_{3}$ ${\displaystyle U_{m))$

Munka a terhelésen

A gép elvileg nem tud olyan átlagos áramot szolgáltatni a külső áramkörnek, amely eltér a -tól , ahol egy ciklus teljesítésének ideje [2] (ez a töltésmegmaradás törvényéből következik ). A további megfontolások feltételezik, hogy a gép nincs rövidre zárva, vagyis a külső áramkör ellenállása elég nagy ahhoz, hogy a ciklus során a nagyfeszültségű tárolóeszköznek ne legyen ideje teljesen kisülni, és a feszültség viszonylag stabil marad a gép működése. Ekkor Ohm törvénye szerint az átlagos áramerősség . Egyenlítést kapunk , azaz . A kapott kifejezés jelentése az, hogy adott ciklusidőre (a gyakorlatban ez általában a gép mozgórendszerének egy fordulatának ideje) a külső ellenállás értéke egyértelműen meghatározza a töltésátvitel megkezdésének kapacitását, a B pont helyzete a diagramon és a feszültségérték (mivel az értéket a gép kialakítása határozza meg). ${\displaystyle I={\delta q \over \Delta t))$ $\Delta t$ $U_{2}$ $I={U_{2} \over R}$ ${\displaystyle {U_{2} \over R}={(C_{2}-C_{3})U_{2} \over \Delta t))$ $R(C_{2}-C_{3})=\Delta t$ $C_{2}$ $U_{2}$ $C_{3}$

Röviden, minél kisebb a külső áramkör ellenállása, annál alacsonyabb az elektrosztatikus gép feszültsége .

Az elektrosztatikus gépek típusai [2]

merev rotorokkal (hengerek, tárcsák) - Toepler, Goltz, Wimshurst, Wommelsdorf gépek ;
rugalmas szalagokkal és láncokkal - Van de Graaff generátor , pelletron ;
csepp- és poráteresztővel - Kelvin cseppentő .
Egyéb.

Az izoláció jellemzői

A hagyományos, alacsony üzemi feszültségű gépek a levegőben működnek. A szigetelők méreteinek csökkentése érdekében a nagyfeszültségű gépek száraz gázkörnyezetbe helyezhetők nagy nyomás alatt. Vannak evakuált építmények is [2] .

A koronakisülési veszteségek csökkentése érdekében a gépek tervezésénél kerülni kell a sarkokat és pontokat (például a Van de Graaff generátor 80 cm átmérőjű gömbelektródával lehetővé teszi akár 750 kV potenciál felhalmozását, ami után koronakisülés kezdődik) [4] .

Pályázat [2]

elektrosztatikus leválasztás: elektrogázos tisztítás , porfestés , elektrosztatikus leválasztás;
elektromos berendezések vizsgálata szigetelés meghibásodására , villámvédelmi vizsgálatok ;
előadás-bemutatók a fizika tárgykörében [1] ;
tápegység töltött részecskegyorsítókhoz .

Jegyzetek

↑ 1 2 3 Elektrosztatikus gépek // E - Elektrofon. - M . : Szovjet enciklopédia , 1933, 1935. - Stb. 735-736. - ( Nagy Szovjet Enciklopédia : [66 kötetben] / főszerkesztő O. Yu. Schmidt ; 1926-1947, 63. v.).
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FES, 1966 .
↑ 1 2 Pál, 1962 , p. 87.
↑ Walter A.K. Az atommag fizikája: népszerű tudományos esszé . - L.-M .: ONTI, az általános szakirodalom főkiadása, 1935. - S. 140. - 296 p. - 5000 példány. (Orosz)

Irodalom

Paul R. V. Az elektromosság doktrínája \u003d Elektrizitätslehre von Robert Wichard Pohl/ ford. vele. L. A. Tumerman. - Moszkva: Fizmatgiz, 1962. - 516 p. - 35.000 példány. (Orosz)
B. M. Gokhberg. Elektrosztatikus generátor // Fizikai enciklopédikus szótár / ch. szerk. B. A. Vvedensky, B. M. Vul. - Moszkva: Szovjet Enciklopédia, 1966. - V. 5 Spectrum-Brightness. - S. 518-519. — 576 p. - 55.000 példány. (Orosz)

olvasd el a

Walter A.K. et al. Elektrosztatikus töltésű részecskegyorsítók. - M. , 1963.
Gokhberg BM, Yankov GB Töltött részecskék elektrosztatikus gyorsítói. - M. , 1960.
Dörfel G., Weihreter E. Az ötven százalékos gépek – A befolyásoló gépek rövid története és hatékonyságuk elemi elmélete: kísérlet // Annalen der Physik . - 2020. - P. 2000465. - doi : 10.1002/andp.202000465 .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy norvég Nagy Szovjet (1 kiadás) Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4151978-4

Nagyfeszültségű generátorok
Elektrosztatikus	elektroforusz Van de Graaff generátor Pelletron Kelvin csepp
elektromágneses	Ruhmkorff tekercs Tesla transzformátor
Elektronikus	Marx generátor Cockcroft-Walton generátor Fitch-Howell generátor