Электростатические машины

Электростатические (индукционные) машины — это источники малых токов (редко превышающих 10 мкА^[1]) и высокого напряжения (нередко превышающего 100 кВ и доходящего до 10 МВШаблон:Sfn), в которых материальные носители электричества попарно заряжаются с помощью электростатической индукции или с помощью трибоэлектрического эффекта^[1], а затем их разносят при помощи механических сил дальше друг относительно другаШаблон:Sfn. Совершённая при этом механическая работа против действия электрических сил по разделению зарядов в пространстве преобразуется в энергию электрического поля (разность потенциалов)Шаблон:Sfn.

Исторически первой индукционной машиной был «электрофор» А. Вольты (1775), действие которого в 1777 году объяснил И. К. Вильке Шаблон:Sfn.

Небольшой по размерам генератор Хольца способен зарядить лейденскую банку ёмкостью Шаблон:Число до напряжения Шаблон:Число за время порядка 30 секунд^[2].

Принцип действия

Электростатические машины работают, как правило, циклически, причём их действие может быть представлено на диаграмме в осях ёмкость—напряжение (C—U)Шаблон:Sfn. Наиболее абстрактно рассуждая, их действие состоит в механическом переносе заряда небольшими дискретными порциями от источника с низким потенциалом (возбудителя) к приёмнику-накопителю с высоким потенциалом.

Предположим, что накопитель изначально разряжен, одна из рабочих обкладок неподвижна и заземлена. Таким образом рассуждения упрощаются, потенциалы отсчитываются от заземлённой обкладки.

В точке A диаграммы на некоторую наибольшую для машины ёмкость $C_{1}$ попадает от источника с низким потенциалом $U_{1}$ заряд $q_{1} = C_{1} U_{1}$ . Ёмкость эта представлят собой конденсатор с подвижными обкладками, которые начинают удаляться друг от друга, и разность потенциалов растёт. В некоторой точке одна из обкладок соединяется с высоковольтным накопителем заряда при потенциале $U_{2}$ и при ёмкости $C_{2} = C_{1} \frac{U_{1}}{U_{2}}$ , начиная с точки B, заряд начинает стекать в накопитель. Стекание продолжается до точки D при наименьшей ёмкости $C_{3}$ и постоянном потенциале $U_{2}$ (ёмкость накопителя велика по сравнению с $C_{3}$ ). Таким образом, в накопитель отправляется порция заряда $δ q = (q_{1} - q_{2}) = (C_{2} - C_{3}) U_{2}$ Шаблон:Sfn.

В точке D подвижная обкладка с остаточным зарядом $q_{2} = C_{3} U_{2}$ отсоединяется от накопителя и начинает движение обратно к соединению с низковольтным источником при потенциале $U_{1}$ и, начиная от точки E, по мере роста ёмкости до $C_{1}$ заряжается до $q_{1} = C_{1} U_{1}$ . Цикл замкнулся, порция заряда $δ q = q_{1} - q_{2}$ прошла разность потенциалов $U_{1} - U_{2}$ Шаблон:Sfn.

С точки зренния энергетики процесса, машина переносит во внешнюю цепь энергию от источника низкого потенциала $W_{1} = δ q U_{1}$ и механическую работу $W = δ q (U_{2} - U_{1})$ . Если $C_{2} ≪ C_{1}$ то $U_{2} ≫ U_{1}$ и $W_{1} ≪ W$ , то есть энергия получается, в основном, за счёт механической работыШаблон:Sfn .

Холостой ход

Если от источника не отбирается ток, а потери на саморазряд равны нулю (идеальный, недостижимый в реальности случай), по мере заряжания высоковольтного накопителя потенциал $U_{2}$ будет всё время расти, и линия B—D передачи заряда в накопитель перемещаться всё выше на диаграмме и становиться всё короче, потому что величина $C_{3}$ жёстко задана конструкцией машины, и в конце концов стянется в точку F при потенциале $U_{m}$ . Здесь машина достигла своего предельного высокого напряжения и больше не даст.

Работа на нагрузку

Машина принципиально не может дать во внешнюю цепь средний ток, отличающийся от $I = \frac{δ q}{Δ t}$ , где $Δ t$ — время совершения одного циклаШаблон:Sfn (это вытекает из закона сохранения заряда). В дальнейших рассуждениях предполагается, что машина не замкнута накоротко, то есть сопротивление внешней цепи достаточно велико, чтобы за время цикла высоковольтный накопитель не успевал совсем разрядиться, и напряжение $U_{2}$ при работе машины остаётся относительно стабильным. Тогда по закону Ома, средний ток $I = \frac{U_{2}}{R}$ . Приравняв, получим $\frac{U_{2}}{R} = \frac{(C_{2} - C_{3}) U_{2}}{Δ t}$ , то есть $R (C_{2} - C_{3}) = Δ t$ . Смысл полученного выражения в том, что при данной продолжительности цикла (на практике обычно это время одного оборота подвижной системы машины) величина внешнего сопротивления однозначно определяет ёмкость $C_{2}$ начала передачи заряда, то есть положение точки B на диаграмме и величину напряжения $U_{2}$ (так как значение $C_{3}$ задано конструкцией машины).

Коротко говоря, чем ниже сопротивление внешней цепи, тем ниже напряжение электростатической машины.

Типы электростатических машин

По конструкции машины бываютШаблон:Sfn:

с жёсткими роторами (цилиндры, диски) — машины Тёплера, Гольца, Воммельсдорфа, Уимсхёрста;
с гибкими лентами и цепями — генератор Ван-де-Граафа, пеллетрон;
с капельным и пылевым переносом — капельница Кельвина.
другие.

Особенности изоляции

Обычные машины с невысоким рабочим напряжением работают в воздухе. Для уменьшения габаритов изоляторов, высоковольтные машины могут помещаться в среду сухого газа под повышенным давлением. Существуют и вакуумированные конструкцииШаблон:Sfn.

Для снижения потерь на коронный разряд в конструкции машин избегают всяких углов и острий (например, генератор Ван-де-Граафа с электродом-шаром диаметром 80 см позволяет накопить потенциал до 750 кВ, после чего начинается коронный разряд)^[3].

ПрименениеШаблон:Sfn

электростатическое осаждение: электрогазоочистка, порошковая окраска, электросепарация;
испытание электроустановок на пробой изоляции, испытания молниезащиты;
лекционные демонстрации в курсе физики^[1];
питание ускорителей заряженных частиц.

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Дополнительная литература

Ссылки

Шаблон:Навигация

«Электростатическая машина» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг.

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Генераторы высокого напряжения

[:0-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 Шаблон:БСЭ1

[2] Шаблон:Книга

[3] Шаблон:Книга

[1]

[2]

[3]