Máy phát tĩnh điện - thiết bị, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Sạc điện - Hiện tượng hai điện tích trái dấu cùng độ lớn triệt tiêu nhau. Nếu hai vật thể, được tích điện mạnh với điện tích trái dấu, ở khoảng cách gần nhau, thì giữa chúng có một tia lửa điện và một âm thanh bốp ngắn phát ra.

Lực tác dụng của một vật tích điện lên một vật khác, có điện tích được coi là một đơn vị, được gọi là tiềm năng. Sự khác biệt tiềm năng là điện áp.

Những cách đầu tiên để có được sạc điện và trường tĩnh điện bao gồm ma sát của các vật liệu khác nhau (lông thú, len, lụa, da và các vật liệu khác với thủy tinh, nhựa, cao su vân vân.). Đồng thời, điện áp và điện tích cực kỳ nhỏ. Cảm ứng và tích lũy điện tích bằng cách truyền cơ học có thể làm tăng nhẹ điện áp thu được.

Sau đó, để có được điện áp cao, người ta đã chế tạo ra các loại máy hoạt động liên tục có đĩa quay dựa trên nguyên lý dẫn hướng tĩnh điện (cảm ứng).Tuy nhiên, những cỗ máy này không thể đạt được công suất cao và được ứng dụng chủ yếu dưới dạng thiết bị trong văn phòng vật lý của các cơ sở giáo dục.

Điện khí hóa vật thể và cảm ứng tĩnh điện

Thông điệp đến cơ thể của các điện tích được gọi là điện khí hóa… Được mô tả trong bài viết Điện khí hóa vật thể và tương tác điện tích quá trình hình thành các ion dương và âm đưa ra ý tưởng về quá trình điện khí hóa các vật thể: nó bao gồm việc chuyển các electron từ vật thể này sang vật thể khác.

Như vậy điện tích của cơ thể được xác định bởi sự thừa hay thiếu trong cơ thể. điện tử… Có thể nhiễm điện một cơ thể theo nhiều cách khác nhau, trong đó ma sát, tiếp xúc, hướng, chuyển điện tích là kỹ thuật.

Quá trình ngược lại - phục hồi trạng thái trung tính của cơ thể (trung hòa) - bao gồm cung cấp cho cơ thể một số lượng điện tử bị thiếu hoặc loại bỏ lượng điện tử dư thừa khỏi cơ thể.

Trong quá trình nhiễm điện do ma sát, nếu không có điện tích bổ sung nào được truyền tới một trong hai vật thể tiếp xúc từ bên ngoài, thì cả hai vật thể đều được tích điện cùng một lượng điện khác dấu. Khi các cơ thể được kết nối, điện tích của chúng được trung hòa hoàn toàn.

Theo cách này, các điện tích không được tạo ra hoặc phá hủy mà chỉ được chuyển từ cơ thể này sang cơ thể khác. Điều này thuyết phục chúng ta về sự tồn tại của định luật bảo toàn điện tích, chẳng hạn định luật bảo toàn năng lượng.

tĩnh điện - điện tích đứng yên. Xảy ra do ma sát giữa hai vật liệu không dẫn điện hoặc vật liệu không dẫn điện và kim loại (ví dụ: dây đai truyền động của động cơ), nhưng không nhất thiết phải là vật rắn.

Tĩnh điện cũng có thể phát sinh do ma sát của một số chất lỏng hoặc chất khí. Những người có làn da rất khô tích tụ điện tích. Trong quá trình di chuyển (sự cọ xát của các sợi trên da), một điện tích tĩnh đáng kể xảy ra trong vải, vải dính vào cơ thể và ngăn cản chuyển động.

Tĩnh điện trở nên nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ, nơi một tia lửa có thể đốt cháy toàn bộ khối lượng. Trong trường hợp này, cần phải giải phóng ngay điện tích tĩnh xuống đất hoặc không khí bằng một số thiết bị kim loại có thể tăng độ dẫn điện bằng cách làm ẩm hoặc chiếu xạ.

cảm ứng tĩnh điện - sự xuất hiện của các điện tích trên dây dưới tác động của các điện tích khác nằm gần dây (cơ thể nhiễm điện ở khoảng cách xa).

Dưới tác dụng của một điện tích bên ngoài, một điện tích được cảm ứng (phát sinh) ở đầu gần nhất của dây dẫn, dấu của điện tích này ngược với dấu của điện tích tác dụng từ bên ngoài, và ở đầu xa của dây dẫn, một điện tích điện tích cùng dấu. Trong trường hợp này, cả hai điện tích cảm ứng đều có độ lớn bằng nhau, nghĩa là cảm ứng chỉ gây ra sự phân tách các điện tích trên dây chứ không làm thay đổi tổng điện tích trên dây (vì tổng các điện tích cảm ứng bằng không).

Độ lớn của các điện tích cảm ứng và vị trí của chúng được xác định bởi điều kiện không được có trường tĩnh điện bên trong dây dẫn. Do đó, các điện tích cảm ứng được định vị sao cho điện trường mà chúng tạo ra chỉ đơn giản là phá hủy trường bên trong dây được tạo ra bởi điện tích cảm ứng.

Một ví dụ về cảm ứng tĩnh điện: trong một máy soi điện không tích điện, cả hai điện tích dương và âm đều có lượng bằng nhau và do đó máy soi điện không bị nhiễm điện.

Nếu một thanh thủy tinh mang điện tích dương tiến lại gần nó, thì các electron tự do sẽ đồng thời bị hút vào nó và điện tích dương của máy soi điện đồng thời bị đẩy ra.

Điện tích âm tập trung gần thanh thủy tinh hơn, được nối với nó, trong khi điện tích dương bị đẩy ra ngoài và do đó nằm ở mặt sau của máy soi điện - nó tự do.

Máy soi điện bây giờ đã được điện khí hóa. Tuy nhiên, trạng thái này không kéo dài. Cần phải tháo thanh thủy tinh ra, vì sự phân tách điện tích thành dương và âm bị vi phạm, trạng thái trung tính của máy soi điện được khôi phục và các lá của nó trở về vị trí ban đầu.

máy soi điện - một thiết bị có thể xác định cơ thể được nhiễm điện với điện tích nào. Nó bao gồm một thanh kim loại với một quả bóng hoặc tấm ở đầu trên cùng và hai tấm kim loại treo tự do ở phía dưới. Hoạt động của máy quang điện dựa trên nguyên tắc: các vật cùng tên đẩy nhau (Xem — Nguyên lý hoạt động của máy quang điện).

Cảm ứng tĩnh điện là một trong những nguyên nhân gây ra sét trong tự nhiên, — biểu hiện mạnh mẽ và nguy hiểm nhất của tĩnh điện trong khí quyển.

tia chớp Đó là sự phóng điện trong khí quyển giữa các phần riêng lẻ của đám mây, các đám mây riêng lẻ, đám mây và Trái đất, từ Trái đất đến đám mây. Nói cách khác, sét có thể được định nghĩa là một dòng điện trong thời gian ngắn, một tia lửa điện làm cân bằng điện thế.

35 câu hỏi thường gặp về giông bão và sấm sét

Máy phát tĩnh điện Van de Graaf

Đối với các mục đích khoa học và kỹ thuật (ví dụ: trong vật lý hạt nhân, sinh học phóng xạ, trị liệu bằng tia X, thử nghiệm vật liệu, phát hiện lỗ hổng, v.v.), cần có các thiết bị có thể tạo ra điện áp vài triệu vôn.

Các thiết bị như vậy là máy phát tĩnh điện tiên tiến về mặt kỹ thuật với điện áp trực tiếp cao. Nổi tiếng nhất trong số đó là máy phát điện Van de Graaf, được tạo ra vào năm 1829 bởi một nhà vật lý người Mỹ Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Máy phát điện Van de Graaf (1933) với điện áp 7 megavolt

Máy phát điện là một quả bóng rỗng bằng kim loại được gắn trên một cột rỗng cao bằng vật liệu cách điện. Kích thước của quả bóng và chiều cao của cột được xác định bởi giới hạn điện áp yêu cầu của máy phát (ví dụ: đối với máy phát có điện áp 5 MV, đường kính của quả bóng đạt 5 m). Một vành đai vô tận bằng vật liệu cách điện (lụa, cao su) di chuyển bên trong cột, đóng vai trò là băng tải để truyền điện tích đến quả cầu.

Khi bạn di chuyển lên, dải chạy ở dưới cùng của thiết bị qua chổi than được kết nối với một cực của nguồn dòng điện một chiều điện áp khoảng 10.000 V (một bộ chỉnh lưu phù hợp có thể đóng vai trò là nguồn này). Khi thiết kế máy phát tĩnh điện đầu tiên của mình, Van de Graaf đã sử dụng thiết bị với một ống chân không.

Thiết bị tạo tĩnh điện Van de Graaff

Từ các đầu của bàn chải này, các điện tích chảy xuống dây đai mang chúng vào bên trong quả bóng và qua bàn chải thứ hai, chúng truyền ra bề mặt bên ngoài của quả bóng.Để cải thiện quá trình di chuyển phần không tích điện của băng xuống dưới, các điện tích trái dấu được chuyển bằng các bàn chải được lấy ra khỏi quả bóng tích điện.

Do cảm ứng tĩnh điện, một điện tích âm xuất hiện trên bàn chải, điện tích này được phóng điện mang đến phần đi xuống của dây đai. Điện tích này sau đó được chuyển đến bàn chải và con lăn nối đất phía dưới, qua đó nó được thải xuống đất.

Khi cuộn băng tiếp tục di chuyển, điện tích trên quả bóng tăng lên cho đến khi nó đạt đến một giá trị ngưỡng xác định trước được xác định bởi đường kính của quả bóng và khoảng cách từ nó đến một điện cực khác hoặc với mặt đất.

Khi cuộn băng tiếp tục di chuyển, điện tích trên quả bóng tăng lên cho đến khi nó đạt đến một giá trị ngưỡng xác định trước được xác định bởi đường kính của quả bóng và khoảng cách từ nó đến một điện cực khác hoặc với mặt đất.

Để tăng điện áp, hai thiết bị như vậy được lắp đặt, trong đó các quả bóng nhận điện tích trái dấu. Vì vậy, ví dụ, để có được điện áp 10 MV, hai máy phát điện được sử dụng, được sạc so với mặt đất tới +5 MV và -5 MV và được lắp đặt ở khoảng cách xa nhau sao cho khả năng xảy ra sự cố ở điện áp thấp hơn. hơn đã cho Đã tắt.

Hiện tại, có một số lượng lớn các kiểu máy phát tĩnh điện khác nhau, bao gồm cả những kiểu lặp lại thiết kế của Van de Graaff. Chúng được sử dụng cho cả các thí nghiệm vật lý và như một điểm thu hút để giải trí và trình diễn hành động. tĩnh điện.

Nó là thú vị: Máy phát điện nano hiệu ứng ma sát (TENG)