Электростатические (индукционные) машины — это источники малых токов (редко превышающих 10 мкА) и высокого напряжения (нередко превышающего 100 кВ и доходящего до 10 МВ), в которых материальные носители электричества попарно заряжаются с помощью электростатической индукции или с помощью трибоэлектрического эффекта, а затем их разносят при помощи механических сил дальше друг относительно друга. Совершённая при этом механическая работа против действия электрических сил по разделению зарядов в пространстве преобразуется в энергию электрического поля (разность потенциалов).
Исторически первой индукционной машиной был «электрофор» А. Вольты (1775), действие которого в 1777 году объяснил И. К. Вильке.
Небольшой по размерам генератор Хольца способен зарядить лейденскую банку ёмкостью до напряжения за время порядка 30 секунд.
Принцип действия
Электростатические машины работают, как правило, циклически, причём их действие может быть представлено на диаграмме в осях ёмкость—напряжение (C—U). 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 попадает от источника с низким потенциалом заряд . 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 и при ёмкости , начиная с точки B, заряд начинает стекать в накопитель. Стекание продолжается до точки D при наименьшей ёмкости и постоянном потенциале (ёмкость накопителя велика по сравнению с ). Таким образом, в накопитель отправляется порция заряда .
В точке D подвижная обкладка с остаточным зарядом отсоединяется от накопителя и начинает движение обратно к соединению с низковольтным источником при потенциале и, начиная от точки E, по мере роста ёмкости до заряжается до . Цикл замкнулся, порция заряда прошла разность потенциалов .
С точки зренния энергетики процесса, машина переносит во внешнюю цепь энергию от источника низкого потенциала и механическую работу . Если то и , то есть энергия получается, в основном, за счёт механической работы .
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 будет всё время расти, и линия B—D передачи заряда в накопитель перемещаться всё выше на диаграмме и становиться всё короче, потому что величина жёстко задана конструкцией машины, и в конце концов стянется в точку F при потенциале . 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 , где — время совершения одного цикла (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 при работе машины остаётся относительно стабильным. Тогда по закону Ома, средний ток . Приравняв, получим , то есть . 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 начала передачи заряда, то есть положение точки B на диаграмме и величину напряжения (так как значение задано конструкцией машины).
Коротко говоря, чем ниже сопротивление внешней цепи, тем ниже напряжение электростатической машины.
Типы электростатических машин По конструкции машины бывают: 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 конструкции.
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).
Применение электростатическое осаждение: электрогазоочистка, порошковая окраска, электросепарация; испытание электроустановок на пробой изоляции, испытания молниезащиты; лекционные демонстрации в курсе физики; питание ускорителей заряженных частиц.
Примечания
Литература
Дополнительная литература
Ссылки
«Электростатическая машина» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг.
Категория:Электростатика Категория:Электрогенераторы