Elektrostatische Generatoren – Gerät, Funktionsprinzip und Anwendung

Elektrische Ladung – das Phänomen, dass sich zwei entgegengesetzte Ladungen gleicher Größe aufheben. Befinden sich zwei stark mit entgegengesetzter elektrischer Ladung geladene Körper in geringem Abstand voneinander, so springt zwischen ihnen ein Funke und es ist ein kurzes Knallgeräusch zu hören.

Die Einwirkungskraft eines elektrisch geladenen Körpers auf einen anderen, dessen Ladung als Einheit betrachtet wird, wird als Potential bezeichnet. Die Potentialdifferenz ist die Spannung.

Erste Wege, um dorthin zu gelangen elektrische Ladungen und elektrostatische Felder bestehen aus der Reibung verschiedener Materialien (Pelz, Wolle, Seide, Leder und andere Materialien an Glas, Harz, Gummi usw.). Gleichzeitig waren die Spannungen und Ladungen äußerst gering. Durch die Induktion und Akkumulation von Ladungen durch mechanische Übertragung konnten die resultierenden Spannungen leicht erhöht werden.

Um hohe Spannungen zu erhalten, wurden anschließend kontinuierlich arbeitende Maschinen mit rotierenden Scheiben nach dem Prinzip der elektrostatischen Führung (Induktion) geschaffen.Diese Maschinen ermöglichten jedoch keine hohe Leistung und fanden hauptsächlich als Geräte in den Physikbüros von Bildungseinrichtungen Anwendung.

Elektrifizierung von Körpern und elektrostatische Induktion

Die Nachricht an den Körper elektrischer Ladungen wird aufgerufen Elektrifizierung… Im Artikel beschrieben Elektrifizierung von Körpern und Wechselwirkung von Ladungen Der Prozess der Bildung positiver und negativer Ionen gibt einen Eindruck vom Prozess der Elektrifizierung von Körpern: Er besteht in der Übertragung von Elektronen von einem Körper auf einen anderen.

Somit wird die elektrische Ladung des Körpers durch den Überschuss oder Mangel im Körper bestimmt. Elektronen… Es ist möglich, einen Körper auf verschiedene Arten zu elektrisieren, wobei Reibung, Kontakt, Richtung und Ladungsübertragung technisch sind.

Der umgekehrte Prozess – die Wiederherstellung des neutralen Zustands des Körpers (Neutralisation) – besteht darin, ihm eine fehlende Anzahl an Elektronen zuzuführen oder ihm einen Überschuss davon zu entziehen.

Wenn bei der Elektrifizierung durch Reibung keinem der sich berührenden Körper von außen zusätzliche Ladungen mitgeteilt werden, werden beide Körper mit der gleichen Strommenge unterschiedlichen Vorzeichens aufgeladen. Wenn Körper verbunden sind, werden ihre Ladungen vollständig neutralisiert.

Auf diese Weise werden keine Ladungen geschaffen oder vernichtet, sondern nur von einer Stelle auf eine andere übertragen. Dies überzeugt uns beispielsweise von der Existenz des Gesetzes zur Erhaltung elektrischer Ladungen Gesetz der Energieerhaltung.

Statische Elektrizität — elektrische Ladung im Ruhezustand. Tritt als Folge der Reibung zwischen zwei Nichtleitern oder einem Nichtleiter und Metall (z. B. Motorantriebsriemen), aber nicht unbedingt festen Körpern auf.

Statische Elektrizität kann auch durch die Reibung bestimmter Flüssigkeiten oder Gase entstehen. Menschen mit sehr trockener Haut sammeln elektrische Ladungen an. Bei Bewegung (Reiben der Fasern auf der Haut) entsteht im Stoff eine erhebliche statische Aufladung, der Stoff klebt am Körper und verhindert Bewegungen.

Statische Elektrizität wird in brennbaren und explosiven Umgebungen gefährlich, in denen ein einzelner Funke eine ganze Masse entzünden kann. In diesem Fall ist es notwendig, die statische Aufladung mithilfe einer metallischen Vorrichtung, deren Leitfähigkeit durch Befeuchtung oder Bestrahlung erhöht werden kann, sofort an den Boden oder die Luft abzugeben.

Elektrostatische Induktion — das Auftreten elektrischer Ladungen auf dem Draht unter dem Einfluss anderer Ladungen, die sich in der Nähe des Drahtes befinden (Körperelektrisierung in der Ferne).

Unter Einwirkung einer äußeren Ladung wird am nächstgelegenen Ende des Leiters eine Ladung induziert (entsteht), deren Vorzeichen dem Vorzeichen der von außen wirkenden Ladung entgegengesetzt ist, und am entfernten Ende des Leiters a Ladung des gleichen Zeichens. In diesem Fall sind beide induktiven Ladungen gleich groß, das heißt, die Induktion bewirkt lediglich eine Ladungstrennung auf dem Draht, verändert jedoch nicht die Gesamtladung auf dem Draht (da die Summe der induzierten Ladungen Null ist).

Die Größe der induzierten Ladungen und ihr Ort werden durch die Bedingung bestimmt, dass im Inneren des Leiters kein elektrostatisches Feld vorhanden sein darf. Daher sind die induzierten Ladungen so positioniert, dass das von ihnen erzeugte elektrische Feld einfach das Feld im Inneren des Drahtes zerstört, das durch die induktive Ladung erzeugt wird.

Ein Beispiel für elektrostatische Induktion: In einem ungeladenen Elektroskop sind beide elektrischen Ladungen, positiv und negativ, gleich groß und daher ist das Elektroskop nicht elektrifiziert.

Nähert sich ihm ein Glasstab mit positiver Ladung, so werden gleichzeitig die freien Elektronen von ihm angezogen und gleichzeitig die positive Ladung des Elektroskops abgestoßen.

Die negative Ladung konzentriert sich näher am Glasstab, ist mit ihm verbunden, während die positive Ladung abgestoßen wird und sich daher auf der Rückseite des Elektroskops befindet – sie ist frei.

Das Elektroskop steht nun unter Strom. Allerdings ist dieser Zustand nicht von langer Dauer. Es lohnt sich, den Glasstab zu entfernen, da die Ladungstrennung in positiv und negativ gestört wird, der neutrale Zustand des Elektroskops wiederhergestellt wird und seine Blätter in ihre ursprüngliche Position zurückkehren.

Elektroskop — ein Gerät, mit dem man feststellen kann, mit welcher Ladung der Körper elektrisiert ist. Es besteht aus einem Metallstab mit einer Kugel oder Platte am oberen Ende und zwei freihängenden Metallblechen am unteren Ende. Die Funktionsweise des Elektroskops basiert auf dem Prinzip: gleichnamige Körper stoßen sich gegenseitig ab (siehe – Das Funktionsprinzip des Elektroskops).

Elektrostatische Induktion ist eine der Ursachen dafür Blitze in der Natur, — die stärkste und gefährlichste Manifestation atmosphärischer statischer Elektrizität.

Blitz Es ist eine Entladung atmosphärischer Elektrizität zwischen einzelnen Teilen der Wolke, einzelnen Wolken, der Wolke und der Erde, von der Erde zur Wolke. Mit anderen Worten kann ein Blitz als ein elektrischer Strom von kurzer Dauer definiert werden, ein elektrischer Funke, der die elektrischen Potenziale ausgleicht.

35 häufig gestellte Fragen zu Gewittern und Blitzen

Elektrostatischer Van-de-Graaf-Generator

Für wissenschaftliche und technische Zwecke (zum Beispiel in der Kernphysik, Strahlenbiologie, Röntgentherapie, Materialprüfung, Fehlersuche usw.) werden Geräte benötigt, die Spannungen von mehreren Millionen Volt erzeugen können.

Bei solchen Geräten handelt es sich um technisch ausgereifte elektrostatische Generatoren mit hoher Gleichspannung. Der bekannteste davon ist der Van-de-Graaf-Generator, der 1829 von einem amerikanischen Physiker entwickelt wurde Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Van de Graaf-Generator (1933) mit einer Spannung von 7 Megavolt

Der Generator ist eine hohle Metallkugel, die auf einer hohen hohlen Säule aus Isoliermaterial montiert ist. Die Abmessungen der Kugel und die Höhe der Säule werden durch die Grenze der erforderlichen Spannung des Generators bestimmt (bei einem Generator mit einer Spannung von 5 MV erreicht der Durchmesser der Kugel beispielsweise 5 m). Im Inneren der Säule bewegt sich ein endloses Band aus Isoliermaterial (Seide, Gummi), das als Förderer für die Ladungsübertragung auf die Kugel dient.

Wenn Sie sich nach oben bewegen, verläuft der Streifen an der Unterseite des Geräts an der Bürste vorbei, die mit einem Pol der Quelle verbunden ist Gleichstrom Spannung von etwa 10.000 V (als Quelle kann ein geeigneter Gleichrichter dienen). Beim Entwurf seiner ersten elektrostatischen Generatoren verwendete Van de Graaf das Gerät mit einer Vakuumröhre.

Elektrostatisches Generatorgerät von Van de Graaff

Von den Spitzen dieser Bürste fließen die Ladungen nach unten auf den Gürtel, der sie in das Innere der Kugel transportiert, und durch die zweite Bürste gelangen sie zur Außenfläche der Kugel.Um den Prozess der Abwärtsbewegung des ungeladenen Teils des Bandes zu verbessern, werden Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen mit Hilfe von Bürsten von der geladenen Kugel entfernt.

Aufgrund der elektrostatischen Induktion entsteht an der Bürste eine negative Ladung, die durch die Entladung auf den absteigenden Teil des Bandes übertragen wird. Diese Ladung wird dann auf die Bürste und die geerdete Unterwalze übertragen und über diese an den Boden abgegeben.

Während sich das Band weiterbewegt, erhöht sich die Ladung auf der Kugel, bis sie einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, der durch den Durchmesser der Kugel und den Abstand von ihr zu einer anderen Elektrode oder zur Erde bestimmt wird.

Während sich das Band weiterbewegt, erhöht sich die Ladung auf der Kugel, bis sie einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, der durch den Durchmesser der Kugel und den Abstand von ihr zu einer anderen Elektrode oder zur Erde bestimmt wird.

Um die Spannung zu erhöhen, werden zwei solcher Geräte installiert, bei denen die Kugeln Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen erhalten. Um beispielsweise eine Spannung von 10 MV zu erhalten, werden zwei Generatoren verwendet, die gegenüber der Erde auf +5 MV und -5 MV aufgeladen und in einem solchen Abstand voneinander installiert sind, dass die Möglichkeit eines Durchbruchs bei einer geringeren Spannung besteht als angegeben ist ausgeschaltet.

Derzeit gibt es eine große Anzahl verschiedener Modelle elektrostatischer Generatoren, darunter auch solche, die das Van-de-Graaff-Design wiederholen. Sie werden sowohl für physikalische Experimente als auch als Attraktion für Unterhaltungs- und Actiondemonstrationen genutzt. statische Elektrizität.

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