"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
Что такое электростатическая машина, как она устроена и работает
Электростатическая машина (электрофорная машина) - устройство, используемое для генерации и накопления электрических зарядов (положительных на одном электроде и отрицательных на другом).
Электрическая машина Топлера-Хольца
Электричество существовало с момента зарождения материи. Основные строительные блоки нашего мира, атомы, содержат заряженные элементарные частицы, протоны и электроны.
Древние греки знали, что если натереть кусок янтаря тканью, он будет притягивать к себе другие легкие предметы, но не могли объяснить механизм этого явления. Теперь мы знаем, что при трении они разделяли электрические заряды и заряжали янтарь и ткань.
Наши слова «электрон» и «электричество» произошли от греческого слова «электрон», означающего янтарь.
Незаряженные объекты содержат равное количество отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов, так что их электрические свойства уравновешивают друг друга, и избыточный заряд не проявляется.
При трении некоторых материалов друг о друга некоторые (относительно небольшие) электроны из одного материала переходят в другой, нарушая первоначальный баланс заряда. Тело, получившее электроны, становится отрицательно заряженным, а потерявшее электроны – положительно заряженным.
Заряженные предметы притягивают перья и другие легкие предметы — это эффект, который наблюдали греки, и мы можем легко наблюдать.
Простейший вариант электростатической машины, в которой электрический заряд получается с помощью явления электростатической индукции, — электрофор.
Электрофор - простой ручной электрический генератор из научного музея
Этот тип электростатического генератора был изобретен в 1762 году шведским физиком Йоханом Карлом Вильке.
Электрофор состоит из двойного полого алюминиевого диска с изолированной ручкой и доски из воска или натуральная смолы.
После протирания пластины тряпкой, фланелью или мехом она становится отрицательно заряженной. Затем приближаем алюминиевый диск к этой пластине.
В результате электростатической индукции под действием отрицательного заряда предварительно наэлектризованной (например, при трении) эбонитовой пластины заряды на металлическом диске расходятся, что за счет того, что свободный отрицательный заряд разряжается на земля, получает избыток положительного заряда.
Отодвинув металлическую пластину от эбонитовой пластины, мы можем наблюдать этот заряд, приблизив палец к диску - проскочит искра, которую можно услышать и увидеть, длиной около 1 сантиметра, что доказывает, что пластина была заряжена.
Также можно прикоснуться к диску люминесцентной лампой — она кратковременно вспыхнет. Лучше всего это делать, когда в комнате достаточно темно, потому что блик почти не виден.
С электрической точки зрения электрофор можно рассматривать как конденсатор с пластинами, движущимися относительно друг друга. При этом эбонитовая пластина имеет постоянный заряд, а подвижная металлическая пластина приближается и подключается и отключается от конденсатора очень большой емкости, которым является Земля.
Хотя описанные выше явления известны давно, первая «машина», производящая электричество, была построена только в 17 веке. Около 1663 года немецкий изобретатель Отто фон Герике построил простое устройство, в котором он положил руку на большой вращающийся шар из серы и зарядил его трением.
Модель генератора Отто фон Герике
До начала 19 века было построено множество подобных машин - некоторые из них использовались и для развлечений.
Электростатическая машина, использовавшаяся в физическом кабинете учебного заведения в конце 19 века
Электрофорная машина
Другой тип простого генератора — это машина, работающая по принципу электростатической индукции.
В процессе электростатической индукции мы вызываем разделение зарядов в данном теле, приближая к нему другое заряженное тело. С одной стороны накапливаются отрицательные заряды, а с другой — положительные заряды.
Прикоснувшись к одной из сторон такого предмета проводником, мы можем лишить его части зарядов одного вида и таким образом зарядить. Таким образом, мы можем собирать заряды, накапливая их так, чтобы создавать действительно высокие напряжения.
Электростатическая машина состоит из двух изолирующих дисков, которые вращаются в противоположных направлениях с помощью кривошипа и соответствующей шестерни.
На внешнюю сторону диска нанесены алюминиевые сегменты. На оси вращения дисков с обеих сторон закреплены металлические стержни, снабженные на концах металлическими щетками, которые соприкасаются с алюминиевыми сегментами.
На уровне горизонтального диаметра дисков закреплены изогнутые стержни с лопастями (так называемые «гребенки»), которые обращены к обоим дискам, но не касаются их. Эти лезвия собирают заряды, которые подаются в разрядник.
Разрядник состоит из двух шариков на металлических стержнях с эбонитовыми держателями. Шарики искрового разрядника соединены с двумя внутренними крышками лейденской бутылки. Внешние крышки этих бутылок соединены горизонтальной планкой.
При вращении диска создаются заряды, которые собираются гребенками, а между искровыми промежутками создается большая разность потенциалов, вызывающая искрение.
Один тип электростатической машины, изобретенный в 1883 году Джеймсом Вимшерстом, до сих пор используется в лабораторных демонстрациях для получения напряжения 50000 вольт и более.
Электростатическая машина Вимшерста
Машина Вимшерста, действие которой основано на трибоэлектрическом эффекте, состоит из двух параллельных дисков с металлическими секторами, вращающимися в противоположных направлениях, скрещенных стержней, одного впереди и одного за дисками, со щетками на концах, двух регулируемых электродов, гребней для сбора заряда и двух лейденских банок.
При вращении дисков отрицательные и положительные заряды накапливаются в лейденских банках и на электродах до тех пор, пока напряжение не вызовет искры.
Машина Вимшерста
Машины Вимшерста представляют собой конец длительного развития электростатических машин с дисками, изобретение электромагнитных индукторов сделало их устаревшими, в настоящее время машины статической индукции используются для демонстрации электрических явлений на выставках или для обучения.
В наше время машина Вимшерста является источником вдохновения для декораций, механизмов и дизайна для фильмов, сериалов, книг и комиксов.
Движущаяся лента из изоляционного материала переносит заряды на металлическую сферу, где напряжение в конечном итоге достигает значения в несколько миллионов вольт. эффект работы электростатической машины.
Такие генераторы используются для проверки изоляторов и другого оборудования, которое должно выдерживать высокие напряжения. Они также используются в исследованиях элементарных частиц, используя такие высокие напряжения для ускорения заряженных частиц до огромных скоростей.
Электростатичсекие машины могут выдавать действительно огромные напряжения, но они совершенно непригодны для непрерывной подачи больших токов. Для этой цели подходил только вольтов столб, построенный в 1790-х годах итальянцем Алессандро Вольта.
