Generatori elettrostatici: dispositivo, principio di funzionamento e applicazione

Carica elettrica - il fenomeno quando due cariche opposte di uguale grandezza si annullano. Se due corpi, fortemente carichi di una carica elettrica opposta, si trovano a breve distanza l'uno dall'altro, allora una scintilla salta tra di loro e si sente un breve scoppiettio.

La forza d'azione di un corpo elettricamente carico su un altro, la cui carica è presa come unità, si chiama potenziale. La differenza di potenziale è la tensione.

Primi modi per ottenere cariche elettriche e campi elettrostatici consistono nell'attrito di vari materiali (pelliccia, lana, seta, cuoio e altri materiali contro vetro, resina, gomma eccetera.). Allo stesso tempo, le tensioni e le cariche erano estremamente ridotte. L'induzione e l'accumulo di cariche per trasferimento meccanico hanno reso possibile un leggero aumento delle tensioni risultanti.

Successivamente, per ottenere tensioni elevate, sono state realizzate macchine a funzionamento continuo con dischi rotanti basate sul principio della guida elettrostatica (induzione).Tuttavia, queste macchine non hanno permesso di ottenere un'elevata potenza e hanno trovato applicazione principalmente come dispositivi negli uffici di fisica delle istituzioni educative.

Elettrificazione dei corpi e induzione elettrostatica

Viene chiamato il messaggio al corpo delle cariche elettriche elettrificazione… Descritto nell'articolo Elettrificazione dei corpi e interazione delle cariche il processo di formazione di ioni positivi e negativi dà un'idea del processo di elettrificazione dei corpi: consiste nel trasferimento di elettroni da un corpo all'altro.

Così la carica elettrica del corpo è determinata dall'eccesso o dalla carenza nel corpo. elettroni… È possibile elettrizzare un corpo in vari modi, di cui tecnici sono l'attrito, il contatto, la direzione, il trasferimento di carica.

Il processo inverso - il ripristino dello stato neutro del corpo (neutralizzazione) - consiste nel dargli un numero mancante di elettroni o nel rimuoverne un eccesso.

Durante l'elettrificazione per attrito, se nessuna carica aggiuntiva viene comunicata dall'esterno a nessuno dei corpi in contatto, entrambi i corpi vengono caricati con la stessa quantità di elettricità di segno diverso. Quando i corpi sono collegati, le loro cariche sono completamente neutralizzate.

In questo modo le cariche non vengono create o distrutte, ma solo trasferite da un corpo all'altro. Questo ci convince dell'esistenza della legge di conservazione delle cariche elettriche, per esempio legge di conservazione dell'energia.

Elettricità statica — carica elettrica a riposo. Si verifica a seguito dell'attrito tra due non conduttori o un non conduttore e metallo (ad esempio cinghie di trasmissione del motore), ma non necessariamente corpi solidi.

L'elettricità statica può anche derivare dall'attrito di alcuni liquidi o gas. Le persone con la pelle molto secca accumulano cariche elettriche. Durante il movimento (sfregamento delle fibre sulla pelle) si verifica nel tessuto una notevole carica elettrostatica, il tessuto aderisce al corpo e impedisce il movimento.

L'elettricità statica diventa pericolosa in ambienti infiammabili ed esplosivi dove una singola scintilla può incendiare un'intera massa. In questo caso è necessario rilasciare immediatamente la carica statica nel terreno o nell'aria mediante qualche dispositivo metallico la cui conducibilità può essere aumentata mediante umidificazione o irraggiamento.

Induzione elettrostatica — la comparsa di cariche elettriche sul filo sotto l'influenza di altre cariche situate vicino al filo (elettrificazione del corpo a distanza).

Sotto l'azione di una carica esterna, viene indotta (sorge) una carica all'estremità più vicina del conduttore, il cui segno è opposto al segno della carica che agisce dall'esterno, e all'estremità più lontana del conduttore, un carica dello stesso segno. In questo caso, entrambe le cariche induttive sono uguali in grandezza, cioè l'induzione provoca solo una separazione delle cariche sul filo, ma non cambia la carica totale sul filo (poiché la somma delle cariche indotte è zero).

L'entità delle cariche indotte e la loro posizione sono determinate dalla condizione che non ci dovrebbe essere campo elettrostatico all'interno del conduttore. Pertanto, le cariche indotte sono posizionate in modo tale che il campo elettrico che creano distrugga semplicemente il campo all'interno del filo creato dalla carica induttiva.

Un esempio di induzione elettrostatica: in un elettroscopio scarico entrambe le cariche elettriche, positiva e negativa, sono in quantità uguali e quindi l'elettroscopio non è elettrificato.

Se una bacchetta di vetro con una carica positiva si avvicina ad essa, allora gli elettroni liberi saranno contemporaneamente attratti da essa e contemporaneamente respinta la carica positiva dell'elettroscopio.

La carica negativa è concentrata più vicino alla bacchetta di vetro, è collegata ad essa, mentre la carica positiva viene respinta e si trova quindi sul retro dell'elettroscopio: è libera.

L'elettroscopio è ora elettrificato. Tuttavia, questo stato non è duraturo. Vale la pena rimuovere la bacchetta di vetro, poiché viene violata la separazione della carica in positiva e negativa, viene ripristinato lo stato neutro dell'elettroscopio e le sue foglie ritornano nella loro posizione originale.

Elettroscopio — un dispositivo con il quale è possibile determinare con quale carica il corpo è elettrizzato. Consiste in un'asta di metallo con una sfera o una piastra all'estremità superiore e due lamiere metalliche sospese nella parte inferiore. Il funzionamento dell'elettroscopio si basa sul principio: corpi con lo stesso nome si respingono (Vedi — Il principio di funzionamento dell'elettroscopio).

L'induzione elettrostatica è una delle cause di fulmine in natura, — la manifestazione più potente e pericolosa dell'elettricità statica atmosferica.

Fulmine È una scarica di elettricità atmosferica tra le singole parti della nuvola, le singole nuvole, la nuvola e la Terra, dalla Terra alla nuvola. In altre parole, il fulmine può essere definito come una corrente elettrica di breve durata, una scintilla elettrica che eguaglia i potenziali elettrici.

35 Domande frequenti su temporali e fulmini

Generatore elettrostatico Van de Graaf

Per scopi scientifici e tecnici (ad esempio, in fisica nucleare, radiobiologia, radioterapia, test sui materiali, rilevamento di difetti, ecc.), sono necessari dispositivi in ​​grado di generare tensioni di diversi milioni di volt.

Tali dispositivi sono generatori elettrostatici tecnicamente avanzati ad alta tensione continua. Il più famoso di questi è il generatore Van de Graaf, creato nel 1829 da un fisico americano Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Generatore Van de Graaf (1933) con una tensione di 7 megavolt

Il generatore è una sfera cava di metallo montata su un'alta colonna cava di materiale isolante. Le dimensioni della sfera e l'altezza della colonna sono determinate dal limite della tensione richiesta del generatore (ad esempio, per un generatore con una tensione di 5 MV, il diametro della sfera raggiunge i 5 m). All'interno della colonna si muove un nastro senza fine di materiale isolante (seta, gomma), che funge da convogliatore per il trasferimento delle cariche alla sfera.

Man mano che sali, la striscia scorre nella parte inferiore del dispositivo oltre il pennello collegato a un polo della sorgente corrente continua tensione di circa 10.000 V (un raddrizzatore adatto può fungere da sorgente).Nel progettare i suoi primi generatori elettrostatici, Van de Graaf utilizzò il dispositivo con un tubo a vuoto.

Dispositivo generatore elettrostatico Van de Graaff

Dalle punte di questa spazzola le cariche scendono sul nastro, che le porta all'interno della pallina, e attraverso la seconda spazzola passano alla superficie esterna della pallina.Per migliorare il processo di spostamento verso il basso della parte non caricata del nastro, vengono trasferite le cariche di segno opposto, con l'ausilio di spazzole rimosse dalla pallina carica.

A causa dell'induzione elettrostatica, sulla spazzola appare una carica negativa, che viene trasportata dalla scarica nella parte discendente del nastro. Questa carica viene poi trasferita alla spazzola e al rullo inferiore messo a terra, attraverso i quali viene scaricata a terra.

Man mano che il nastro continua a muoversi, la carica sulla pallina aumenta fino a raggiungere un valore di soglia predeterminato determinato dal diametro della pallina e dalla distanza da essa ad un altro elettrodo oa terra.

Man mano che il nastro continua a muoversi, la carica sulla pallina aumenta fino a raggiungere un valore di soglia predeterminato determinato dal diametro della pallina e dalla distanza da essa ad un altro elettrodo oa terra.

Per aumentare la tensione, vengono installati due di questi dispositivi, in cui le sfere ricevono cariche di segni opposti. Quindi, ad esempio, per ottenere una tensione di 10 MV, si utilizzano due generatori, caricati rispetto a terra a +5 MV e -5 MV e installati a una distanza tale l'uno dall'altro che la possibilità di guasto a una tensione inferiore di quanto indicato è disattivato.

Attualmente esiste un gran numero di diversi modelli di generatori elettrostatici, compresi quelli che ripetono il design Van de Graaff. Sono utilizzati sia per esperimenti fisici che come attrazione per spettacoli di intrattenimento e azioni. elettricità statica.

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