Войти
A Генератор Ван де Граафа, для демонстрации в классе электростатический генератор или электростатическая машина - это электромеханический генератор, который вырабатывает статическое электричество или электричество при высоком напряжении. и низкий постоянный ток. Знание о статическом электричестве восходит к древнейшим цивилизациям, но на протяжении тысячелетий оно оставалось просто интересным и загадочным явлением, без теории, объясняющей его поведение, и часто путали с магнетизмом. К концу 17 века исследователи разработали практические средства производства электричества трением, но всерьез разработка электростатических машин началась лишь в 18 веке, когда они стали фундаментальными инструментами в исследованиях новой науки <125.>электричество. Электростатические генераторы работают с использованием ручной (или другой) энергии для преобразования механической работы в электрическую энергию. Электростатические генераторы создают электростатические заряды противоположных знаков, передаваемые по двум проводникам, используя только электрические силы, и работают с использованием движущихся пластин, барабанов или ремней для переноса электрического заряда до высокого уровня потенциал электрод. Заряд генерируется одним из двух методов: либо трибоэлектрическим эффектом (трение), либо электростатической индукцией.
Электростатические машины обычно используются в научных классах для безопасной демонстрации электрических сил и явлений высокого напряжения. Достигнутые повышенные разности потенциалов также использовались для различных практических приложений, таких как работа рентгеновских трубок, ускорителей частиц, спектроскопия, медицинские приложения, стерилизация продуктов питания и эксперименты по ядерной физике. Электростатические генераторы, такие как генератор Ван де Граафа, и варианты, такие как Pelletron, также находят применение в физических исследованиях.
Электростатические генераторы можно разделить на две категории в зависимости от того, как генерируется заряд:
Типичная машина трения с использованием стеклянного шара, распространенная в 18 веке 
Мартинус ван Марум Электростатический генератор в Музей Тейлера Первые электростатические генераторы называются машинами трения из-за трения в процессе генерации. Примерно в 1663 году Отто фон Герике изобрел примитивную форму фрикционной машины с использованием серного шара, который можно было вращать и тереть вручную. Возможно, он на самом деле не вращался во время использования и не был предназначен для производства электричества (скорее, космических достоинств), но вдохновил многие более поздние машины, которые использовали вращающиеся шары. Исаак Ньютон предложил использовать стеклянный шар вместо серного. Около 1706 г. Фрэнсис Хоксби усовершенствовал базовую конструкцию, создав свою электрическую машину трения, которая позволяла быстро вращать стеклянную сферу относительно шерстяной ткани.
Генераторы получили дальнейшее развитие, когда около 1730 г. проф. Георг Матиас Бозе из Виттенберга добавил собирающий проводник (изолированная трубка или цилиндр, опирающийся на шелковые струны). Бозе был первым, кто применил «первичный проводник » в таких машинах, состоящий из железного стержня, который держал в руке человек, чье тело было изолировано, стоя на глыбе из смолы.
В 1746 году машина Уильяма Уотсона имела большое колесо, вращающее несколько стеклянных шаров, с мечом и стволом пистолета, подвешенными на шелковых шнурах в качестве главных проводников. Иоганн Генрих Винклер, профессор физики в Лейпциге, заменил руку кожаной подушкой. В 1746 году Ян Ингенхауз изобрел электрические машины из листового стекла. Экспериментам с электрической машиной в значительной степени способствовало открытие лейденской банки. Эта ранняя форма конденсатора с токопроводящими покрытиями по обе стороны от стекла может накапливать электрический заряд при подключении к источнику электродвижущей силы.
Вскоре электрическую машину усовершенствовал Эндрю (Андреас) Гордон, шотландец и профессор из Эрфурта, который заменил стеклянный шар стеклянным цилиндром; и Гиссингом из Лейпцига, который добавил «резину», состоящую из подушки из шерстяного материала. Коллектор, состоящий из ряда металлических наконечников, был добавлен к машине Бенджамином Уилсоном около 1746 года, а в 1762 году Джоном Кэнтоном из Англии (также изобретателем первого стержневого стержня). -боловый электроскоп) повысил эффективность электрических машин за счет разбрызгивания амальгамы олова на поверхность резины. В 1768 году Джесси Рамсден сконструировал широко распространенный вариант пластинчатого электрического генератора.
В 1783 году голландский ученый Мартин ван Марум из Харлема сконструировал большой электростатическая машина высокого качества со стеклянными дисками диаметром 1,65 м для его опытов. Способный вырабатывать напряжение любой полярности, он был построен под его руководством Джоном Катбертсоном из Амстердама в следующем году. Генератор в настоящее время выставлен в Музее Тейлера в Харлеме.
В 1785 году Н. Роуланд сконструировал машину с шелковым поясом, которая протирала две заземленные трубки, покрытые заячьей шерстью. Эдвард Нэрн в 1787 году разработал электростатический генератор для медицинских целей, который мог генерировать как положительное, так и отрицательное электричество, первое из которых собиралось от основного проводника, несущего точки сбора, а второе - от другого основного проводника. несущий фрикционную накладку. Они обладали более высоким КПД, чем предыдущие машины трения.
В 1830-х годах Георг Ом владел машиной, аналогичной машине Ван Марума, для своих исследований (которая сейчас находится в Немецком музее, Мюнхен, Германия). В 1840 году он был разработан путем усовершенствования машины Рамсдена 1768 года, разместив первичный проводник над диском (дисками). Также в 1840 году была разработана гидроэлектрическая машина Армстронга, использующая пар в качестве носителя заряда.
Наличие дисбаланса поверхностного заряда означает, что объекты будут проявлять силы притяжения или отталкивания. Этот дисбаланс поверхностных зарядов, который приводит к статическому электричеству, может быть создан путем соприкосновения двух различных поверхностей вместе и последующего разделения их из-за явления трибоэлектрического эффекта. Трение двух непроводящих предметов создает большое количество статического электричества. Это не результат трения; две непроводящие поверхности могут стать заряженными, если их просто положить одна на другую. Поскольку большинство поверхностей имеют шероховатую текстуру, зарядка при контакте занимает больше времени, чем при трении. Трение предметов друг о друга увеличивает адгезионный контакт между двумя поверхностями. Обычно изоляторы, например вещества, не проводящие электричество, хороши как для генерирования, так и для удержания поверхностного заряда. Некоторыми примерами этих веществ являются резина, пластик, стекло и пробка. Проводящие объекты, соприкасающиеся с ними, также создают дисбаланс заряда, но сохраняют заряды только в том случае, если они изолированы. Заряд, который передается при контактной электризации, сохраняется на поверхности каждого объекта. Обратите внимание, что наличие электрического тока не уменьшает электростатические силы, искрение, коронный разряд или другие явления. Оба явления могут существовать одновременно в одной системе.
Машины влияния со временем постепенно вытеснились вторым классом инструментов, упомянутых выше, а именно машинами влияния. Они работают за счет электростатической индукции и преобразуют механическую работу в электростатическую энергию с помощью небольшого начального заряда, который постоянно пополняется и усиливается. Первое предположение о машине влияния, кажется, выросло из изобретения Вольта электрофора. Электрофор представляет собой однопластинчатый конденсатор, используемый для создания дисбаланса электрического заряда посредством процесса электростатической индукции.
Следующим шагом было, когда Абрахам Беннет, изобретатель сусального золота электроскоп, описал «удвоитель электричества» (Phil. Trans., 1787) как устройство, подобное электрофору, но способное усилить небольшой заряд посредством многократных ручных операций с тремя изолированными пластинами, чтобы его можно было наблюдать в электроскоп. Эразм Дарвин, У. Уилсон, Г. К. Боненбергер и (позднее, 1841 г.) Дж. К. Э. Пекле разработали различные модификации устройства Беннета. Фрэнсис Рональдс автоматизировал процесс генерации в 1816 году, приспособив маятниковую качельку в качестве одной из пластин, приводимых в движение часовым механизмом или паровым двигателем - он создал устройство для питания своего электрического телеграфа. В 1788 году Уильям Николсон предложил свой вращающийся удвоитель, который можно рассматривать как первую вращающуюся машину воздействия. Его инструмент был описан как «инструмент, который, поворачивая лебедку, производит два состояния электричества без трения или связи с землей». (Phil. Trans., 1788, p. 403) Николсон позже описал аппарат с «вращающимся конденсатором» как лучший инструмент для измерений.
Прочие, в том числе Т. Кавалло (который разработал «множитель Кавалло », множитель заряда с использованием простого сложения, в 1795 году), Джон Рид, Чарльз Бернар Десорм и Жан Николя Пьер Ашетт разработал различные формы вращающихся дублеров. В 1798 году немецкий ученый и проповедник Готлиб Кристоф Боненбергер описал в своей книге, наряду с несколькими другими двойниками типов Беннета и Николсона. Наиболее интересные из них описаны в «Annalen der Physik» (1801 г.). В 1831 году разработал простой симметричный дублер, который состоял из двух изогнутых металлических пластин, между которыми вращалась пара пластин, закрепленных на изолирующем стержне. Это была первая симметричная машина влияния с идентичными конструкциями для обоих терминалов. Этот аппарат был изобретен несколько раз К. Ф. Варли, который запатентовал версию с большим увеличением в 1860 г., лордом Кельвином («пополнитель») в 1868 г. и А. Д. Муром («дирод»), совсем недавно. Лорд Кельвин также изобрел комбинированную машину влияния и электромагнитную машину, обычно называемую a, для электризации чернил в связи с его самописцем сифона и электростатическим генератором капли воды (1867 г.), который он назвал «конденсатор капельный ".
Машина влияния Хольца Между 1864 и 1880 годами В. Т. Б. Хольц сконструировал и описал большое количество машин влияния, которые считались наиболее передовыми разработками того времени. В одном из вариантов он состоял из стеклянного диска, установленного на горизонтальной оси, который мог вращаться со значительной скоростью с помощью умножающего механизма, взаимодействующего с индукционными пластинами, установленными на неподвижном диске рядом с ним. В 1865 г. Август Дж. И. Топлер разработал машину влияния, которая состояла из двух дисков, закрепленных на одном валу и вращающихся в одном направлении. В 1868 году у него была любопытная конструкция для увеличения выходного тока. Также в 1868 году было разработано несколько машин со смешанным трением, в том числе и. В 1866 году был разработан (или). В 1869 г. Х. Джулиус Смит получил американский патент на портативное и герметичное устройство, предназначенное для воспламенения пороха. Также в 1869 году бессекторные машины в Германии были исследованы Поггендорфом.
. Действие и эффективность машин влияния были дополнительно исследованы Ф. Россетти, А. Риги и Фридрих Кольрауш. Э. Э. Н. Маскарт, а также исследовал эффективность и силу тока влияющих машин. В 1871 году Мусей исследовал бессекторные машины. В 1872 году был разработан и был одним из первых предшественников генератора Ван де Граафа. В 1873 году Лейзер разработал вариант машины Хольца. В 1880 году Роберт Фосс (берлинский производитель инструментов) изобрел форму машины, в которой он утверждал, что принципы Топлера и Хольца были объединены. Эта же конструкция стала известна также как машина Топлера-Хольца.
Маленькая машина Вимшерста В 1878 году британский изобретатель Джеймс Вимшерст начал свои исследования электростатических генераторов, улучшив машину Хольца в мощной версии с несколькими диски. Классическая машина Вимшерста, ставшая самой популярной формой машины влияния, была представлена научному сообществу к 1883 году, хотя предыдущие машины с очень похожей структурой были описаны ранее Хольцем и Мусеусом. В 1885 году в Англии была построена одна из самых больших машин Вимшерста (сейчас она находится в Чикагском музее науки и промышленности ). Машина Вимшерста - довольно простая машина; он работает, как и все влияющие машины, с электростатической индукцией зарядов, что означает, что он использует даже самый незначительный существующий заряд для создания и накопления большего количества зарядов, и повторяет этот процесс, пока машина находится в действии. Машины Wimshurst состоят из: двух изолированных дисков, прикрепленных к шкивам с противоположным вращением, диски имеют небольшие токопроводящие (обычно металлические) пластины на обращенных наружу сторонах; две двусторонние щетки, которые служат стабилизаторами заряда, а также являются местом, где происходит индукция, создавая новые собираемые заряды; две пары собирающих гребенок, которые, как следует из названия, являются сборщиками электрического заряда, вырабатываемого машиной; две лейденские банки, конденсаторы машины; пара электродов для переноса зарядов после их достаточного накопления. Простая конструкция и компоненты машины Вимшерста делают ее обычным выбором для самодельного электростатического эксперимента или демонстрации, эти характеристики были факторами, которые способствовали ее популярности, как упоминалось ранее.
В 1887 году Вайнхольд модифицировал машину Лейзера. с системой индукторов с вертикальными металлическими стержнями и деревянными цилиндрами, расположенными близко к диску, чтобы избежать переполюсовки. описал то, что было по сути упрощенным (L'Électricien, апрель 1895 г., стр. 225–227). В 1893 году Бонетти запатентовал машину со структурой машины Вимшерста, но без металлических секторов на дисках. Эта машина значительно мощнее, чем разделенная версия, но обычно ее нужно запускать с внешнего заряда.
В 1898 году W. Р. Пиджон. 28 октября того же года Пиджон представил эту машину Физическому обществу после нескольких лет исследования машин влияния (начиная с начала десятилетия). Позднее об устройстве было сообщено в Philosophical Magazine (декабрь 1898 г., стр. 564) и в журнале «Electrical Review» (Vol. XLV, стр. 748). Машина Pidgeon оснащена фиксированными индукторами, расположенными таким образом, что увеличивает эффект электростатической индукции (а ее электрическая мощность как минимум вдвое больше, чем у типичных машин этого типа [за исключением случаев, когда она перенапряжена ]). Существенными особенностями машины Pidgeon являются, во-первых, комбинация вращающейся опоры и неподвижной опоры для создания заряда, и, во-вторых, улучшенная изоляция всех частей машины (но особенно несущих частей генератора). Машины Pidgeon представляют собой комбинацию машины Wimshurst и машины Voss со специальными функциями, адаптированными для уменьшения количества утечки заряда. Машины Pidgeon возбуждают себя с большей готовностью, чем лучшие машины этого типа. Кроме того, Пиджон исследовал более современные машины «триплекс» (или «двойные машины с одним центральным диском») с закрытыми секторами (и получил британский патент 22517 (1899) на этот тип машины).
Многодисковые машины и «триплексные» электростатические машины (генераторы с тремя дисками) также широко разрабатывались на рубеже 20-го века. В 1900 году было обнаружено, что помещение генератора в металлическую камеру, содержащую сжатый воздух или, лучше, углекислый газ, изолирующие свойства сжатых газов позволили значительно улучшить эффект достигается за счет увеличения напряжения пробоя сжатого газа и уменьшения утечки через пластины и изолирующие опоры. В 1903 г. запатентовал вращающийся диск из эбонита, имеющий встроенные секторы с кнопочными контактами на поверхности диска. В 1907 году сообщалось об изменении машины Хольца, использующей этот диск и индукторы, встроенные в целлулоидные пластины (DE154175; ""). Воммельсдорф также разработал несколько мощных электростатических генераторов, наиболее известными из которых были его «Конденсаторные машины» (1920 г.). Это были однодисковые машины, использующие диски со встроенными секторами, доступ к которым осуществлялся по краям.
Электростатические генераторы играли фундаментальную роль в исследованиях структуры материи, начиная с конца 19 века. К 1920-м годам стало очевидно, что необходимы машины, способные производить большее напряжение.
Генератор Ван де Граафа был изобретен американским физиком Робертом Дж. Ван де Грааффом в 1929 году в Массачусетском технологическом институте в виде частицы ускоритель. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года. В машине Ван де Граа изолирующая лента переносит электрический заряд внутрь изолированного полого металлического высоковольтного вывода, где он переносится на вывод с помощью «гребешка» металлических острий. Преимущество конструкции заключалось в том, что, поскольку внутри клеммы не было электрического поля, заряд на ремне мог продолжать разряжаться на клемме независимо от того, насколько высоким было напряжение на клемме. Таким образом, единственным ограничением напряжения на машине является ионизация воздуха рядом с выводом. Это происходит, когда электрическое поле на выводе превышает диэлектрическую прочность воздуха, примерно 30 кВ на сантиметр. Поскольку наибольшее электрическое поле создается на острых концах и краях, вывод выполнен в виде гладкой полой сферы; чем больше диаметр, тем выше достигается напряжение. Первая машина использовала шелковую ленту, купленную в магазине за пять центов, в качестве ленты для переноса заряда. В 1931 году в описании патента была описана версия, способная производить 1 000 000 вольт.
Генератор Ван де Граафа был успешным ускорителем частиц, производя самые высокие энергии до конца 1930-х годов, когда его заменил циклотрон. Напряжение на открытых машинах Van de Graaff ограничено несколькими миллионами вольт за счет пробоя воздуха. Более высокие напряжения, примерно до 25 мегавольт, были достигнуты за счет помещения генератора в резервуар с изолирующим газом под давлением. Этот тип ускорителей частиц Ван де Граафа до сих пор используется в медицине и исследованиях. Для физических исследований были изобретены и другие варианты, такие как Pelletron, в котором используется цепь с чередующимися изолирующими и проводящими звеньями для переноса заряда.
Маленькие генераторы Ван де Граафа обычно используются в научных музеях и в естественнонаучном образовании для демонстрации принципов статического электричества. Популярная демонстрация - это когда человек дотрагивается до высоковольтного вывода, стоя на изолированной опоре; высокое напряжение заряжает волосы человека, заставляя пряди выступать из головы.
Электростатический преобразователь энергии ветра EWICON был разработан Школой электротехники, математики и информатики в Делфтском технологическом университете (TU Delft). Он стоит возле архитектурного бюро Mecanoo. Основными разработчиками были Йохан Смит и Дхирадж Джайрам. Кроме ветра, у него нет движущихся частей. Он приводится в движение ветром, уносящим заряженные частицы от его коллектора. Конструкция страдает низкой эффективностью.
Технология, разработанная для EWICON, была повторно использована в Dutch Windwheel.
Эти генераторы использовались, иногда ненадлежащим образом и с некоторыми противоречиями, для поддержки различных второстепенных исследований. В 1911 году получил патент на компактную двойную машину, заключенную в герметичный бокс для своих экспериментов по радиотелеграфии и «антигравитации ». Намного позже (в 1960-х) машина, известная как «Тестатика», была построена немецким инженером Полем Сюиссом Бауманом и продвинута швейцарским сообществом Метернитанами. Testatika - это электромагнитный генератор, основанный на электростатической машине Pidgeon 1898 года, который, как утверждается, производит «бесплатную энергию», доступную непосредственно из окружающей среды.
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с электростатическими генераторами. |
