.jpg/1280px-Spark_With_New_Winquist_Neutralizers_(49693486901).jpg)
Электростатический генератор , или электростатическая машина , — это электрический генератор , который вырабатывает статическое электричество или электричество при высоком напряжении и низком постоянном токе . Знание статического электричества восходит к самым ранним цивилизациям, но на протяжении тысячелетий оно оставалось просто интересным и загадочным явлением , без теории, объясняющей его поведение, и часто путалось с магнетизмом. К концу 17-го века исследователи разработали практические способы получения электроэнергии путем трения, но разработка электростатических машин началась всерьез только в 18-м веке, когда они стали основополагающими инструментами в исследованиях новой науки об электричестве .
Электростатические генераторы работают, используя ручную (или иную) силу для преобразования механической работы в электрическую энергию или используя электрические токи . Ручные электростатические генераторы создают электростатические заряды противоположных знаков, передаваемые двум проводникам, используя только электрические силы, и работают, используя движущиеся пластины, барабаны или ремни для переноса электрического заряда к электроду с высоким потенциалом .
Электростатические машины обычно используются в классах по естественным наукам 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 , спектроскопии , медицинских приложений, стерилизации продуктов питания и экспериментов по ядерной физике. Электростатические генераторы, такие как генератор Ван де Граафа и его вариации, такие как Пеллетрон , также находят применение в физических исследованиях.
Электростатические генераторы можно разделить на категории в зависимости от способа генерации заряда:
Первые электростатические генераторы называются фрикционными машинами из-за трения в процессе генерации. Примитивная форма фрикционной машины была изобретена около 1663 года Отто фон Герике , используя серный шар, который можно было вращать и тереть рукой. Он, возможно, на самом деле не вращался во время использования и не был предназначен для производства электричества (скорее космические добродетели), [1] но вдохновил многие более поздние машины, которые использовали вращающиеся шары. Исаак Ньютон предложил использовать стеклянный шар вместо серного. [2] Около 1706 года Фрэнсис Хауксби улучшил базовую конструкцию, [3] с помощью своей фрикционной электрической машины, которая позволяла стеклянному шару быстро вращаться относительно шерстяной ткани. [4]
Генераторы получили дальнейшее развитие, когда около 1730 года профессор Георг Маттиас Бозе из Виттенберга добавил собирающий проводник (изолированную трубку или цилиндр, поддерживаемый шелковыми нитями). Бозе был первым, кто использовал « первичный проводник » в таких машинах, он состоял из железного стержня, который держал в руке человек, чье тело было изолировано, стоя на блоке смолы.
В 1746 году машина Уильяма Уотсона имела большое колесо, вращающее несколько стеклянных шаров, с мечом и стволом ружья, подвешенными на шелковых шнурах в качестве основных проводников. Иоганн Генрих Винклер , профессор физики в Лейпциге , заменил руку кожаной подушкой. В 1746 году Ян Ингенхауз изобрел электрические машины, сделанные из листового стекла. [5] Эксперименты с электрической машиной во многом были облегчены изобретением лейденской банки . Эта ранняя форма конденсатора с проводящими покрытиями по обе стороны стекла могла накапливать заряд электричества при подключении к источнику электродвижущей силы.
Электрическая машина вскоре была усовершенствована Эндрю (Андреасом) Гордоном , шотландцем и профессором в Эрфурте, который заменил стеклянный цилиндр вместо стеклянного шара; и Гиссингом из Лейпцига, который добавил «резину», состоящую из подушки из шерстяного материала. Коллектор, состоящий из ряда металлических точек, был добавлен к машине Бенджамином Уилсоном около 1746 года, а в 1762 году Джон Кантон из Англии (также изобретатель первого электроскопа с шариком) улучшил эффективность электрических машин, распылив амальгаму олова по поверхности резины. [6] В 1768 году Джесси Рамсден построил широко используемую версию пластинчатого электрического генератора. [ необходимо разъяснение ]
В 1783 году голландский ученый Мартин ван Марум из Харлема спроектировал большую электростатическую машину высокого качества со стеклянными дисками диаметром 1,65 метра для своих экспериментов. Способную производить напряжение с любой полярностью, ее построил под его руководством Джон Катбертсон из Амстердама в следующем году. В настоящее время генератор экспонируется в Музее Тейлера в Харлеме.
В 1785 году Н. Роуланд построил машину с шелковым ремнем, которая терла две заземленные трубки, покрытые заячьим мехом. Эдвард Нэрн разработал электростатический генератор для медицинских целей в 1787 году, который мог генерировать как положительное, так и отрицательное электричество, причем первое из них собиралось с первичного проводника, несущего точки сбора, а второе — с другого первичного проводника, несущего фрикционную накладку. Машина Уинтера [ требуется разъяснение ] обладала более высокой эффективностью, чем более ранние фрикционные машины.
В 1830-х годах Георг Ом имел машину, похожую на машину Ван Марума, для своих исследований (которая сейчас находится в Немецком музее , Мюнхен, Германия). В 1840 году была разработана машина Вудворда путем усовершенствования машины Рамсдена 1768 года, разместив первичный проводник над диском(ами). Также в 1840 году была разработана гидроэлектрическая машина Армстронга , использующая пар в качестве носителя заряда.
Наличие поверхностного зарядового дисбаланса означает, что объекты будут проявлять силы притяжения или отталкивания. Этот поверхностный зарядовый дисбаланс, который приводит к статическому электричеству, может быть сгенерирован путем соприкосновения двух разных поверхностей и последующего их разделения из-за явления трибоэлектрического эффекта . Трение двух непроводящих объектов может генерировать большое количество статического электричества. Это не результат трения; две непроводящие поверхности могут заряжаться, просто будучи помещенными одна на другую. Поскольку большинство поверхностей имеют шероховатую текстуру, требуется больше времени для достижения заряда через контакт, чем через трение. Трение объектов друг о друга увеличивает количество адгезионного контакта между двумя поверхностями. Обычно изоляторы , например, вещества, которые не проводят электричество, хороши как для генерации, так и для удержания поверхностного заряда. Некоторые примеры таких веществ - резина , пластик , стекло и сердцевина . Проводящие объекты, находящиеся в контакте, также генерируют зарядовый дисбаланс, но сохраняют заряды только в том случае, если они изолированы. Заряд, который передается во время контактной электризации, сохраняется на поверхности каждого объекта. Обратите внимание, что наличие электрического тока не умаляет ни электростатических сил, ни искрения, ни коронного разряда , ни других явлений. Оба явления могут существовать одновременно в одной и той же системе.
Фрикционные машины со временем постепенно вытеснялись вторым классом инструментов, упомянутых выше, а именно, машинами влияния . Они работают на основе электростатической индукции и преобразуют механическую работу в электростатическую энергию с помощью небольшого начального заряда, который постоянно пополняется и усиливается. Первое предположение о машине влияния, по-видимому, возникло из изобретения электрофора Вольта . Электрофор — это однопластинчатый конденсатор, используемый для создания дисбаланса электрического заряда посредством процесса электростатической индукции.
Следующим шагом было то, что Авраам Беннет , изобретатель электроскопа с золотым листом , описал « удвоитель электричества » (Phil. Trans., 1787), как устройство, похожее на электрофор, но которое могло усиливать небольшой заряд посредством повторных ручных операций с тремя изолированными пластинами, чтобы сделать его наблюдаемым в электроскопе. В 1788 году Уильям Николсон предложил свой вращающийся удвоитель, который можно считать первой вращающейся машиной влияния. Его инструмент был описан как «инструмент, который путем поворота лебедки производит два состояния электричества без трения или связи с землей». (Phil. Trans., 1788, стр. 403) Позже Николсон описал аппарат «вращающегося конденсатора» как лучший инструмент для измерений.
Эразм Дарвин , У. Уилсон, Г. К. Боненбергер и (позже, в 1841 г.) Ж. К. Э. Пекле разработали различные модификации устройства Беннета 1787 г. Фрэнсис Рональдс автоматизировал процесс генерации в 1816 г., приспособив маятниковый груз в качестве одной из пластин, приводимых в движение часовым механизмом или паровым двигателем – он создал устройство для питания своего электрического телеграфа . [7] [8]
Другие, включая Т. Кавалло (который разработал « множитель Кавалло », умножитель заряда, использующий простое сложение, в 1795 году), Джон Рид , Шарль Бернар Дезорм и Жан Николя Пьер Ашетт , разработали различные формы вращающихся удвоителей. В 1798 году немецкий ученый и проповедник Готлиб Кристоф Боненбергер описал машину Боненбергера вместе с несколькими другими удвоителями типов Беннета и Николсона в книге. Самые интересные из них были описаны в «Анналах физики» (1801). Джузеппе Белли в 1831 году разработал простой симметричный удвоитель, который состоял из двух изогнутых металлических пластин, между которыми вращалась пара пластин, установленных на изолирующем стержне. Это была первая симметричная машина влияния с идентичными структурами для обоих выводов. Этот аппарат был переизобретен несколько раз, К. Ф. Варли , который запатентовал версию высокой мощности в 1860 году, лордом Кельвином («пополняющий») в 1868 году и А. Д. Муром («дирод»), совсем недавно. Лорд Кельвин также изобрел комбинированную машину влияния и электромагнитную машину, обычно называемую мышиной мельницей, для электризации чернил в связи с его сифонным регистратором , и электростатический генератор капель воды (1867), который он назвал « конденсатор капель воды ».
В период с 1864 по 1880 год В. Т. Б. Хольц сконструировал и описал большое количество машин влияния, которые считались самыми передовыми разработками того времени. В одной из форм машина Хольца состояла из стеклянного диска, установленного на горизонтальной оси, который можно было заставить вращаться со значительной скоростью с помощью множительной передачи, взаимодействующей с индукционными пластинами, установленными на неподвижном диске рядом с ним. В 1865 году Август Дж. И. Топлер разработал машину влияния, которая состояла из двух дисков, закрепленных на одном валу и вращающихся в одном направлении. В 1868 году машина Шведоффа имела любопытную конструкцию для увеличения выходного тока. Также в 1868 году было разработано несколько смешанных машин трения-влияния, включая машину Кундта и машину Карре. В 1866 году была разработана машина Пише (или машина Берча). В 1869 году Х. Юлиус Смит получил американский патент на портативное и герметичное устройство, которое было разработано для воспламенения пороха. В том же 1869 году Поггендорф исследовал безсекторные машины в Германии .
Действие и эффективность машин влияния были дополнительно исследованы Ф. Россетти , А. Риги и Фридрихом Кольраушем . Э. Н. Маскар , А. Ройти и Э. Бушот также исследовали эффективность и мощность выработки тока машинами влияния. В 1871 году безсекторные машины были исследованы Мусеусом. В 1872 году был разработан электрометр Риги, который стал одним из первых предшественников генератора Ван де Граафа. В 1873 году Лейзер разработал машину Лейзера, разновидность машины Хольца. В 1880 году Роберт Фосс (берлинский производитель инструментов) разработал форму машины, в которой, как он утверждал, были объединены принципы Теплера и Хольца. Та же структура стала также известна как машина Теплера–Хольца .
В 1878 году британский изобретатель Джеймс Уимшёрст начал свои исследования электростатических генераторов, усовершенствовав машину Хольца в мощной версии с несколькими дисками. Классическая машина Уимшёрста, которая стала самой популярной формой машины влияния, была представлена научному сообществу к 1883 году, хотя предыдущие машины с очень похожей структурой были ранее описаны Хольцем и Мусеусом. В 1885 году в Англии была построена одна из самых больших когда-либо созданных машин Уимшёрста (сейчас она находится в Чикагском музее науки и промышленности ). Машина Уимшёрста — довольно простая машина; она работает, как и все машины влияния, с помощью электростатической индукции зарядов, что означает, что она использует даже самый незначительный существующий заряд для создания и накопления большего количества зарядов и повторяет этот процесс до тех пор, пока машина находится в действии. Машины Уимшёрста состоят из: двух изолированных дисков, прикрепленных к шкивам противоположного вращения, диски имеют небольшие проводящие (обычно металлические) пластины на своих внешних сторонах; две двухсторонние щетки, которые служат стабилизаторами заряда, а также местом, где происходит индукция, создавая новые заряды для сбора; две пары собирающих гребенок, которые, как следует из названия, являются коллекторами электрического заряда, производимого машиной; две лейденские банки, конденсаторы машины; пара электродов для передачи зарядов после того, как они достаточно накопились. Простая структура и компоненты машины Вимшурста делают ее обычным выбором для домашнего электростатического эксперимента или демонстрации, эти характеристики были факторами, которые способствовали ее популярности, как уже упоминалось ранее. [9]
В 1887 году Вайнхольд модифицировал машину Лейзера с помощью системы вертикальных металлических стержневых индукторов с деревянными цилиндрами, расположенными близко к диску, чтобы избежать переполюсовки. М. Л. Лебье описал машину Лебье, которая по сути была упрощенной машиной Фосса ( L'Électricien , апрель 1895 г., стр. 225–227). В 1893 году Луи Бонетти запатентовал машину со структурой машины Вимшурста, но без металлических секторов в дисках. [10] [11] Эта машина значительно мощнее секторной версии, но ее обычно нужно запускать с помощью внешнего заряда.
В 1898 году машина Пиджена была разработана с уникальной установкой У. Р. Пиджена . 28 октября того же года Пиджеон представил эту машину Физическому обществу после нескольких лет исследований в области машин влияния (начавшихся в начале десятилетия). Позднее об устройстве было сообщено в Philosophical Magazine (декабрь 1898 г., стр. 564) и Electrical Review (т. XLV, стр. 748). Машина Пиджена имеет фиксированные электростатические индукторы, расположенные таким образом, чтобы увеличить эффект электростатической индукции (и ее электрическая мощность по крайней мере вдвое больше, чем у типичных машин этого типа [за исключением случаев, когда она перегружена]). Существенными особенностями машины Пиджена являются, во-первых, сочетание вращающейся опоры и фиксированной опоры для индуцирования заряда, и, во-вторых, улучшенная изоляция всех частей машины (но в особенности носителей генератора). Машины Пиджена представляют собой комбинацию машины Вимшурста и машины Восса со специальными функциями, адаптированными для уменьшения количества утечки заряда. Машины Пиджена возбуждаются быстрее, чем лучшие из этих типов машин. Кроме того, Пиджеон исследовал более высокоточные "триплексные" секционные машины (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 Ф. Тадсбери обнаружил, что при заключении генератора в металлическую камеру, содержащую сжатый воздух или, лучше сказать, углекислый газ , изолирующие свойства сжатых газов позволяют получить значительно улучшенный эффект благодаря увеличению пробивного напряжения сжатого газа и уменьшению утечки через пластины и изолирующие опоры. В 1903 году Альфред Версен запатентовал вращающийся диск из эбонита , имеющий встроенные сектора с кнопочными контактами на поверхности диска. В 1907 году Генрих Воммельсдорф сообщил о вариации машины Хольца, использующей этот диск и индукторы, встроенные в целлулоидные пластины (DE154175; «машина Версена»). Воммельсдорф также разработал несколько высокопроизводительных электростатических генераторов, из которых наиболее известны его «конденсаторные машины» (1920). Это были однодисковые машины, в которых использовались диски со встроенными секторами, доступ к которым осуществлялся по краям.
Генератор Ван де Граафа был изобретен американским физиком Робертом Дж. Ван де Грааффом в 1929 году в Массачусетском технологическом институте в качестве ускорителя частиц. [12] Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года. В машине Ван де Граафа изолирующий пояс переносит электрический заряд внутрь изолированного полого металлического высоковольтного терминала, где он переносится на терминал «гребенкой» металлических точек. Преимущество конструкции состояло в том, что, поскольку внутри терминала не было электрического поля, заряд на поясе мог продолжать разряжаться на терминал независимо от того, насколько высоким было напряжение на терминале. Таким образом, единственным ограничением напряжения на машине является ионизация воздуха рядом с терминалом. Это происходит, когда электрическое поле на терминале превышает диэлектрическую прочность воздуха, около 30 кВ на сантиметр. Поскольку наибольшее электрическое поле создается на острых точках и краях, терминал выполнен в форме гладкой полой сферы; чем больше диаметр, тем выше достигаемое напряжение. Первая машина использовала шелковую ленту, купленную в магазине «все по пять центов и десять центов», в качестве ленты для транспортировки заряда. В 1931 году в патентном раскрытии была описана версия, способная производить 1 000 000 вольт.
Генератор Ван де Граафа был успешным ускорителем частиц, производившим самые высокие энергии до конца 1930-х годов, когда его заменил циклотрон . Напряжение на машинах Ван де Граафа на открытом воздухе ограничено несколькими миллионами вольт пробоем воздуха. Более высокие напряжения, примерно до 25 мегавольт, достигались путем помещения генератора в бак с находящимся под давлением изолирующим газом. Этот тип ускорителя частиц Ван де Граафа до сих пор используется в медицине и исследованиях. Другие варианты были также изобретены для физических исследований, например, Пеллетрон , который использует цепь с чередующимися изолирующими и проводящими связями для переноса заряда.
Небольшие генераторы Ван де Граафа обычно используются в научных музеях и научном образовании для демонстрации принципов статического электричества. Популярная демонстрация заключается в том, что человек касается высоковольтного терминала, стоя на изолированной опоре; высокое напряжение заряжает волосы человека, заставляя пряди торчать из головы.
Не все электростатические генераторы используют трибоэлектрический эффект или электростатическую индукцию. Электрические заряды могут генерироваться непосредственно электрическими токами. Примерами являются ионизаторы и пистолеты ESD .
Электростатический безлопастной ионный ветрогенератор EWICON был разработан Школой электротехники, математики и компьютерных наук Делфтского технологического университета (TU Delft). Он находится рядом с архитектурной фирмой Mecanoo. Основными разработчиками были Йохан Смит и Дхирадж Джайрам. Кроме ветра, у него нет движущихся частей. Он питается ветром, уносящим заряженные частицы от его коллектора. [13] Конструкция страдает от низкой эффективности. [14]
Технология, разработанная для EWICON, была повторно использована в голландском ветроколесе. [15] [16]
Эти генераторы использовались, иногда ненадлежащим образом и с некоторыми спорами, для поддержки различных исследований маргинальной науки . В 1911 году Джордж Сэмюэл Пигготт получил патент на компактную двойную машину, заключенную в герметичный ящик, для своих экспериментов, касающихся радиотелеграфии и « антигравитации ». Гораздо позже (в 1960-х годах) машина, известная как «Тестатика», была построена немецким инженером Полом Сьюссом Бауманом и продвигалась швейцарской общиной Метернитанцев . Тестатика — это электромагнитный генератор, основанный на электростатической машине Пиджена 1898 года, которая, как говорят, производит «свободную энергию», доступную непосредственно из окружающей среды.
