Elektrostatické stroje

Elektrostatické (indukční) stroje jsou zdroje malých proudů (zřídka přesahujících 10 μA [1] ) a vysokých napětí (často přesahujících 100 kV a dosahujících až 10 MV [2] ), ve kterých se hmotné nosiče elektřiny nabíjejí ve dvojicích pomocí elektrostatického indukcí nebo s využitím triboelektrického jevu [1] a následně jsou od sebe mechanickými silami unášeny dále vůči sobě [3] . Mechanická práce konaná v tomto případě proti působení elektrických sil na separaci nábojů v prostoru se přeměňuje na energii elektrického pole ( potenciální rozdíl ) [2] .

Historicky prvním indukčním strojem byl „ elektrofor “ A. Volty (1775), jehož činnost vysvětlil I. K. Vilke v roce 1777 [3] .

Jak to funguje

Elektrostatické stroje pracují zpravidla cyklicky a jejich činnost lze znázornit na diagramu v osách kapacita - napětí ( C—U ) [2] . Nejabstraktněji spočívá jejich působení v mechanickém přenosu náboje v malých diskrétních částech z nízkopotenciálního zdroje (budiče) do vysokopotenciálního zásobníku.

Předpokládejme, že akumulátor je zpočátku vybitý, jedna z pracovních desek je nehybná a uzemněná. Úvaha je tedy zjednodušena, potenciály se počítají z uzemněné desky.

V bodě A diagramu pochází některá z největších kapacit pro stroj ze zdroje s nízkým potenciálním nábojem . Tato kapacita je kondenzátor s pohyblivými deskami, které se začnou od sebe vzdalovat a rozdíl potenciálů roste. V určitém okamžiku je jedna z desek připojena k vysokonapěťovému zásobníku náboje na potenciálu a s kapacitou , počínaje bodem B, náboj začne proudit do zásobníku. Tok pokračuje do bodu D při nejnižší kapacitě a konstantním potenciálu (akumulační kapacita je velká ve srovnání s ). Část náboje je tedy odeslána do pohonu [2] . $C_{1}$ $U_{1}$ $q_{1}=C_{1}U_{1}$ $U_{2}$ $C_{2}=C_{1}{U_{1} \over U_{2))$ $C_{3}$ $U_{2}$ $C_{3}$ ${\displaystyle \delta q=(q_{1}-q_{2})=(C_{2}-C_{3})U_{2))$

V bodě D se pohyblivá deska se zbytkovým nábojem odpojí od zásobníku a začne se na potenciálu přesouvat zpět do spojení se zdrojem nízkého napětí a počínaje bodem E se při zvýšení kapacity nabíjí na . Cyklus je uzavřen, část náboje prošla potenciálovým rozdílem [2] . $q_{2}=C_{3}U_{2}$ $U_{1}$ $C_{1}$ $q_{1}=C_{1}U_{1}$ $\delta q=q_{1}-q_{2}$ $U_{1}-U_{2}$

Z hlediska energie procesu přenáší stroj energii z nízkopotenciálního zdroje a mechanickou práci do vnějšího okruhu . Jestliže pak a , to znamená, že energie je získávána především díky mechanické práci [2] . ${\displaystyle W_{1}=\delta qU_{1))$ $W=\delta q(U_{2}-U_{1})$ $C_{2}\ll C_{1}$ $U_{2}\gg U_{1}$ $W_{1}\ll W$

Volnoběh

Pokud se ze zdroje neodebírá žádný proud a ztráty samovybíjením jsou rovné nule (ideální, ve skutečnosti nedosažitelný případ), při nabíjení vysokonapěťového akumulátoru se potenciál neustále zvyšuje a B-D čára přenosu náboje do akumulačního zařízení se bude v diagramu posouvat výše a výše a bude zkrátka, protože hodnota je pevně dána konstrukcí stroje a nakonec se smrští do bodu F na potenciálu . Zde stroj dosáhl svého mezního vysokého napětí a již nedá. $U_{2}$ $C_{3}$ ${\displaystyle U_{m))$

Práce na zátěži

Stroj v zásadě nemůže dodávat do vnějšího obvodu průměrný proud, který se liší od , kde je doba pro dokončení jednoho cyklu [2] (vyplývá to ze zákona zachování náboje ). Další úvahy předpokládají, že stroj není zkratován, to znamená, že odpor vnějšího obvodu je dostatečně velký, takže během cyklu se vysokonapěťový zásobník nestihne úplně vybít a napětí zůstává během cyklu relativně stabilní . provoz stroje. Pak podle Ohmova zákona je průměrný proud . Zrovnoprávnění, dostaneme , to je . Smyslem získaného výrazu je, že pro danou dobu trvání cyklu (v praxi se jedná obvykle o dobu jedné otáčky pohyblivého systému stroje) hodnota vnějšího odporu jednoznačně určuje kapacitu začátku přenosu náboje, tj. je poloha bodu B na diagramu a hodnota napětí (protože hodnota je dána konstrukcí stroje). ${\displaystyle I={\delta q \over \Delta t))$ $\Delta t$ $U_{2}$ $I={U_{2} \over R}$ ${\displaystyle {U_{2} \over R}={(C_{2}-C_{3})U_{2} \over \Delta t))$ $R(C_{2}-C_{3})=\Delta t$ $C_{2}$ $U_{2}$ $C_{3}$

Stručně řečeno, čím nižší je odpor vnějšího obvodu, tím nižší je napětí elektrostatického stroje .

Typy elektrostatických strojů [2]

s tuhými rotory (válce, disky) - stroje Toepler, Goltz, Wimshurst, Wommelsdorf ;
s pružnými páskami a řetězy - Van de Graaffův generátor , peletron ;
s odkapáváním a přenosem prachu - Kelvinovo kapátko .
jiný.

Vlastnosti izolace

Běžné stroje s nízkým provozním napětím pracují ve vzduchu. Pro zmenšení rozměrů izolátorů lze vysokonapěťové stroje umístit do prostředí suchého plynu pod vysokým tlakem. Existují i evakuované stavby [2] .

Aby se snížily ztráty korónovým výbojem, jsou v konstrukci strojů vyloučeny jakékoli rohy a body (například Van de Graaffův generátor s kulovou elektrodou o průměru 80 cm umožňuje akumulovat potenciál až 750 kV, poté začíná korónový výboj) [4] .

Aplikace [2]

elektrostatické nanášení: čištění elektroplynem , práškové lakování , elektroseparace;
testování elektrických instalací na porušení izolace , testy ochrany před bleskem ;
přednáškové ukázky v kurzu fyziky [1] ;
napájecí zdroj pro urychlovače nabitých částic .

Poznámky

↑ 1 2 3 Elektrostatické stroje // E - Elektrofon. - M . : Sovětská encyklopedie , 1933, 1935. - Stb. 735-736. - ( Velká sovětská encyklopedie : [v 66 svazcích] / šéfredaktor O. Yu. Schmidt ; 1926-1947, v. 63).
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FES, 1966 .
↑ 1 2 Pavel, 1962 , str. 87.
↑ Walter A.K. Fyzika atomového jádra: populárně vědecká esej . - L.-M .: ONTI, hlavní vydání obecné technické literatury, 1935. - S. 140. - 296 s. - 5000 výtisků. (Ruština)

Literatura

Paul R. V. Doktrína elektřiny \u003d Elektrizitätslehre von Robert Wichard Pohl/ přel. s ním. L. A. Tumerman. - Moskva: Fizmatgiz, 1962. - 516 s. - 35 000 výtisků. (Ruština)
B. M. Gokhberg. Elektrostatický generátor // Fyzikální encyklopedický slovník / kap. vyd. B. A. Vvedensky, B. M. Vul. - Moskva: Sovětská encyklopedie, 1966. - V. 5 Spektrum-jas. - S. 518-519. — 576 s. - 55 000 výtisků. (Ruština)

také číst

Walter A. K. a kol. Urychlovače elektrostatických nabitých částic. - M. , 1963.
Gokhberg BM, Yankov GB Elektrostatické urychlovače nabitých částic. - M. , 1960.
Dörfel G., Weihreter E. Stroje na padesát procent — Krátká historie vlivových strojů a elementární teorie jejich účinnosti: Pokus // Annalen der Physik . - 2020. - S. 2000465. - doi : 10.1002/andp.202000465 .

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský Velký sovět (1 ed.) Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 4151978-4

Vysokonapěťové generátory
Elektrostatický	elektrofor Van de Graaffův generátor Pelletron Kelvinova kapka
elektromagnetické	Ruhmkorffova cívka Tesla transformátor
Elektronický	Marxův generátor Cockcroft-Waltonův generátor Fitch-Howellův generátor