Generator electrostatic

Această intrare sau secțiune referitoare la electronică nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citate din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor .

Această intrare referitoare la ingineria electrică este doar o schiță . Contribuiți la îmbunătățirea acestuia în conformitate cu convențiile Wikipedia .

Un mare generator Van de Graaff în Muzeul Științific din Boston, MA. Pentru a atinge tensiuni foarte mari, el folosește un generator Van de Graaff sub vid de aer și bobine Tesla

Un generator electrostatic, sau mașină electrostatică , este un generator electromecanic care produce electricitate statică sau electricitate la înaltă tensiune și curent electric scăzut. Sarcina este generată cu una din cele două metode: fie prin exploatarea efectului triboelectric (care folosește fricțiunea ), fie prin inducție electrostatică , sau prin combinarea celor două moduri.

Unele generatoare electrostatice sunt reversibile și, prin urmare, pot funcționa și ca motor electrostatic.

Cunoașterea electricității statice datează din primele civilizații, dar timp de milenii a rămas doar un fenomen interesant și nedumeritor, fără explicații și adesea confundat cu magnetismul. La sfârșitul secolului al XVII-lea, Otto von Guericke a dezvoltat o mașină simplă pentru a genera electricitate cu frecare, dar dezvoltarea mașinilor electrostatice a avut loc în secolul al XVIII-lea, când au devenit instrumente fundamentale pentru studiul noii științe a electricității.

Generatoarele electrostatice tradiționale funcționează folosind puterea manuală pentru a transforma lucrările mecanice în energie electrică: dezvoltă sarcini electrostatice separate cu semn opus pe doi conductori și un sistem mecanic de plăci, tamburi și curele pentru a transporta sarcina electrică pe electrozi cu potențial ridicat.

Mașinile electrostatice sunt de obicei utilizate în sălile de știință în scopuri educaționale pentru studierea forțelor electrice și a fenomenelor de înaltă tensiune. Diferențele mari de potențial obținute au fost, de asemenea, utilizate pentru o varietate de aplicații practice, cum ar fi funcționarea tuburilor cu raze X , acceleratoarele de particule , spectroscopie , aplicații medicale, sterilizarea alimentelor și experimentele de fizică nucleară . Generatoarele electrostatice precum generatorul Van de Graaff și variantele precum Pelletron sunt de asemenea utilizate în fizica experimentală.

Clasificare

inducție electrostatică

Generatoarele electrostatice pot fi împărțite în două categorii, în funcție de modul în care este generată sarcina ^[1] :

• Mașinile de frecare sau frecare utilizează efectul triboelectric (adică electricitatea generată de contact sau frecare)
• Mașinile de influență utilizează inducție electrostatică .

În ambele cazuri se obține separarea în cele două corpuri a sarcinilor electrice pozitive și negative, care odată redistribuite rămân în repaus. Acesta este motivul pentru care electricitatea obținută se numește statică. Chiar dacă în momentul electrificării, sarcini egale cu semn opus se separă, mișcarea electronilor într-o direcție și cea a sarcinilor pozitive în direcția opusă sunt echivalente, astfel încât sarcina electrică globală să rămână constantă, cu excepția cazului în care sarcinile de conductorul este dispersat conectându-l la pământ. Evident, nu există nicio creație de încărcare în întregul proces.

În cazul electrificării prin frecare, o cantitate excesivă de electroni este transferată într-unul dintre cele două corpuri, în timp ce în celălalt electronii vor fi defecti, astfel încât cel de-al doilea corp își asumă o sarcină negativă. Izolatorii buni își păstrează sarcina, în timp ce conductorii o pierd dacă nu sunt ei înșiși izolați.

În electrificarea prin inducție nu există contact între cele două corpuri. Dacă un corp izolant, de exemplu de ebonit , deja încărcat negativ, este abordat către un alt corp conductor, de exemplu din metal, sarcinile negative prezente pe ebonit resping electronii obiectului metalic spre partea opusă, lăsând aceeași cantitate de sarcini pozitive în partea obiectului metalic cel mai apropiat de obiectul ebonit. Încărcările din conductor sunt apoi separate, cu o mișcare totală zero. Dacă conductorul este pus în contact cu pământul, electronii sunt dispersați și pe metal, odată ce ebonitul este îndepărtat, rămân doar sarcinile pozitive. O sarcină pozitivă a fost apoi indusă pe obiectul metalic ^[2] .

Mașini de frecare

fundal

Mașina electrică a lui Otto von Guericke ^[3]

O mașină simplă de frecare rudimentară ^{[4] a} fost inventată în jurul anului 1663 de Otto von Guericke , primarul Magdeburgului, care inventase mașina pneumatică. În Experimenta nova Magdeburgica descrie dispozitivul: acesta consta dintr-o sferă de sulf , obținută prin umplerea unei sfere de sticlă (un balon) cu sulf topit. Când s-a răcit sulful, a rupt sfera de sticlă și a montat sfera de sulf pe o tijă. Prin rotirea sferei de sulf și frecarea cu mâna, au fost generate scântei scârțâitoare. ^[5] . Instrumentul globului l-a inspirat ulterior pe Isaac Newton care, în tratatul Opticks , a sugerat utilizarea unui glob de sticlă în loc de unul cu sulf.

Reconstrucția primei mașini electrice a lui Hauksbee ^[6]

Reconstrucția celei de-a doua mașini electrice a Hauksbee ^[7]

În jurul anului 1706, Francis Hauksbee a îmbunătățit designul de bază, cu mașina sa electrică de frecare, care a permis unei sfere de sticlă să se rotească rapid pe o cârpă de lână ^[8] .

Hauksbee era interesat de producția de lumină și se baza pe experimentul lui Guericke, confirmat și de Robert Boyle . Hauksbee s-a ocupat de observarea diferitelor manifestări luminoase cauzate de scânteile produse în aer, în vid sau în alte mijloace. La început, mașina inventată consta din doi cilindri de sticlă care cad unul în celălalt, putând fi rotiți în direcția opusă unul câte unul sau împreună cu ajutorul unui scripete: cilindrul intern a fost, de asemenea, conectat la o mașină pneumatică care ar putea aspira aerul. conținute în acesta pentru a observa comportamentul scânteilor ^[9] .

Hauksbee a revenit ulterior la forma sferică (sferele de sticlă vor fi utilizate în experimente timp de decenii). El a folosit o sferă de sticlă rotativă cu două bucăți fixe de piele, dispuse diametral opuse pe axa sferei. Sfera a fost conectată la un scripete ca în strungul tâmplarilor pentru ao face să se rotească rapid. Inventatorul a făcut mai multe pentru a face experimentul senzațional: a golit sfera din aer cu o pompă de vid, al cărei colector, prevăzut cu un robinet, a fost conectat la sfera uneia dintre cele două bucăți de piele de pe axa de rotație. O mână s-a târât pe suprafața sferei golite de aer în timp ce se rotea. O lumină vie a apărut în interiorul ei, vizibilă în întuneric. Filamentele luminoase au apărut dacă sunt atinse cu un deget, îndreptate către același deget.

Generatorul construit de Francis Hauksbee. În Experimente fizico-mecanice , ed. II, Londra, 1719

Experimentul lui Georg Matthias Bose

În jurul anului 1730, fizicianul Georg Matthias Bose din Wittenberg a adăugat un conductor (un tub izolat sau un cilindru sprijinit pe cabluri de mătase) ca colector de electricitate. Bose a fost primul care a folosit un conductor pentru acumularea de sarcini electrice în astfel de mașini; era o tijă de fier ținută în mână de un asistent care stătea pe un bloc de rășină pentru a se izola de pământ. Asistentul ținea o bară de metal într-o mână, în timp ce în cealaltă era în contact cu globul rotativ. Sarcina generată de fricțiunea mâinii pe sticlă ar curge prin asistent până la tija metalică (pe care a numit-o „conductor primar”) și s-ar acumula pe suprafața exterioară a tijei. Aceasta a fost o prelungire a demonstrației lui Stephen Gray din 1730 Flying Boy ^[10] , dar cu adăugarea unui conductor metalic care a devenit ulterior singurul dispozitiv de stocare a încărcăturii electrice. Noutatea a fost utilizarea de către Bose a metalului (bara) într-un moment în care se credea că numai izolatorii puteau acumula electricitate statică. Se știa că conductorii metalici disipează rapid sarcina dacă nu erau izolați de sol.

La scurt timp după aceea, decanul Catedralei Camin din Pomerania Ewald Jürgen Georg von Kleist a încercat să experimenteze cu un generator de frecare. Agățase o mașină de gătit peste mașină cu fire de mătase. Von Kleist s-a întrebat dacă experimentul lui Bose în transmiterea energiei electrice s-ar putea extinde la captarea energiei electrice într-o sticlă mică umplută cu alcool, deoarece știa că sticla din sticlă va acționa ca un izolator și va împiedica scăparea electricității. Își montase sticla cu un dop prin care ieșea un cui înmuiat în fluid. Ținând sticla într-o mână, a pus cuiul în contact cu conductorul principal. Imediat nu s-a întâmplat nimic, dar în timp ce ducea sticla înapoi într-o cameră întunecată, a observat o strălucire slabă de plasmă care sugera că alcoolul arunca un fel de foc al Sfântului Elmo. Atingând unghia cu unghia mâinii libere, a suferit un șoc violent. Von Kleist a inventat borcanul Leyden ^[11] , dar nu a înțeles funcția mâinii sale cupate, ținută în jurul exteriorului sticlei, care a furnizat armura conductivă externă necesară pentru a permite borcanului Leyden să acumuleze o cantitate enormă de încărcare ^{[12] ]} .

Proiectarea mașinilor electrostatice a fost favorizată de descoperirea borcanului Leyden, un condensator , cu acoperiri conductive pe ambele părți ale sticlei, care a acumulat încărcăturile electrice furnizate de o sursă.

Mașina electrică de Sir William Watson, în Joseph Priestley, Istoria și starea actuală a electricității, cu experimente originale, Londra, C. Bathurst și T. Lowndes, 1775 ^[13]

În 1746, fizicianul britanic William Watson a dezvoltat mașina, care îi poartă numele, constând dintr-o roată mare care făcea să se rotească o sferă de sticlă, pe care mâna se târa, conectată la un butoi de armă suspendat pe frânghii de mătase.

Mașină electrică de Heinrich Winckler, 1730-1740 ^[14]

Johann Heinrich Winckler , profesor de fizică la Leipzig, a folosit o pernă de piele în locul unei mâini.

În 1746, Jan Ingenhousz a inventat mașini electrice folosind plăci de sticlă. ^[15] Mașina electrică a fost în curând îmbunătățită în continuare de călugărul benedictin scoțian, inventator și profesor de filosofie la Erfurt Andrew Gordon ^[16] : el a înlocuit sfera de sticlă cu un cilindru de sticlă mai eficient ^[17] . Benjamin Wilson ^[18] , în jurul anului 1746, a îmbunătățit mașina adăugând un colector de încărcare, format dintr-o serie de vârfuri metalice ^[19] . În 1762, fizicianul britanic John Canton (de asemenea, inventatorul primului electroscop cu bile medulare de lemn sau electroscop cu bilă) a îmbunătățit eficiența mașinilor electrice prin răspândirea unui amalgam de mercur și staniu pe suprafața discului (1762) ^{[20 ]} În 1768, Jesse Ramsden a construit o versiune evoluată a generatorului electrostatic de plăci utilizat pe scară largă mai târziu. Se baza pe o placă rotativă susținută de stâlpi de lemn; placa a fost frecată cu tampoane de piele, electricitatea a fost colectată de piepteni metalici și a fost conectată la un sistem de susținere din alamă izolat cu picioare de sticlă. Mașina lui Ramsden a fost foarte populară în saloanele nobilimii, unde s-au făcut experimente galante „electrizante” pentru distracție: doamnele montate pe scaune izolate au schimbat „săruturi electrice” cu logodnicul lor.

Reconstrucția mașinii electrice Ramsden

Machine de Ramsden, în Gillard, Machine électrostatique de Ramsden, Éditions Vuibert et Nony, 1904

Camera ovală a Muzeului Teylers din Haarlem cu mașina electrostatică mare a lui Van Marum într-un tablou de Wybrand Hendricks, circa 1800

În 1783, omul de știință olandez Martin van Marum din Haarlem ^{[21] a} proiectat o mașină electrostatică mare, de înaltă calitate, folosind discuri de sticlă cu diametrul de 1,65 metri. Capabil să producă tensiune cu ambele polarități, a fost construit sub supravegherea sa de John Cuthbertson din Amsterdam în anul următor. Generatorul este în prezent expus la Muzeul Teylers din Haarlem din Olanda, găzduit în camera ovală a muzeului. Era echipat cu patru baterii de borcan Leyden și putea genera o diferență de potențial de 330.000 volți

^[22]

Mașini de influențare

• Electroforul lui Volta ^[23]
• Mașina lui Holtz
• Mașina Voss
• Mașina de iarnă ;
• Mașina Toepler
• Mașina Wimshurst
• Mașina lui Pidgeon
• Generatorul Van de Graaff

Generatoare electrostatice moderne

• EWICON (convertor de energie eoliană electrostatică) și roată eoliană olandeză
• Pelletron

Notă

Bibliografie

• (EN) Joseph Priestley, The History and Present State of Electricity with Original Experiments , 1769. Accesat la 15 februarie 2021.
• ( EN ) JL Heilbron,Electricity in the 17th & 18th Century: A Study onEarly Modern Physics: Study of Early Modern Physics , Mineola, New York, Dover Pubns Editor. (Prima ediție 1972 University of California Press, Berkeley), 2000, ISBN 978-0486406886 .
• ( FR ) Gérard Borvon, Histoire de l'électricité, de l'ambre à l'électron , Vuibert, 2009, ISBN 978.2.7117.24925 . Text de divulgare
• ( FR ) Louis Figuier, Électricité , în Les Merveilles de la Science , volumul I, Paris, Boivin & Cie, 1867.
• Paolo Mazzoldi, Massimo Niro, Cesare Voci, Elements of Physics. Electromagnetism și valuri , EDISES, 2008, ISBN 978-8879594783 .
• Joseph M. Crowley, Fundamentals of Electrostatics Applied , Laplacian Press, 1999, ISBN 9781885540119 .
• ( FR ) M. É. Mascart Éleuthère, Traité d'électricité Statique. Volumul 2 , Paris, G. Masson Editeur, Libraire de l'Académie de Médecine, 1876.
• Adolphe Ganot, Traité élémentaire de physique expérimentale et appliquée et de météorologie; suivi d'un recueil de 103 problèmes avec solutions: ill. de 773 belles gravures à l’usage des établissements d’instruction, des aspirants aux grades des facultés , Paris, Ganot, 1868.

Elemente conexe

• Tub spumant

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe generator electrostatic

linkuri externe

• ( EN ) Generator electrostatic , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Colecție de mașini electrostatice păstrate la Muzeul Galileo Galilei din Florența - Muzeul Virtual , pe catalog.museogalileo.it . Adus la 24 februarie 2021 .
• Mașini electrostatice , pe Percorsielettrici.it . Adus la 28 aprilie 2014 (arhivat din original la 29 aprilie 2014) .

Portalul Electromagnetismului

Portal electrotehnic