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 МВ[2]), 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 друга[3]. Совершённая при этом механическая работа против действия электрических сил по разделению зарядов в пространстве преобразуется в энергию электрического поля (разность потенциалов)[2].

Исторически первой индукционной машиной был «электрофор» А. Вольты (1775), действие которого в 1777 году объяснил И. К. Вильке[3].

Принцип действияПравить

 
CU-диаграмма работы электростатической машины

Электростатические машины работают, как правило, циклически, причём их действие может быть представлено на диаграмме в осях ёмкость—напряжение (C—U)[2]. 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  [2].

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  [2].

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[2] .

Холостой ходПравить

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 нагрузкуПравить

Машина принципиально не может дать во внешнюю цепь средний ток, отличающийся от  , где   — время совершения одного цикла[2] (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[2]Править

Особенности изоляцииПравить

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[2].

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)[4].

Применение[2]Править

ПримечанияПравить

  1. 1 2 3 Электростатические_машины // Э — Электрофон. — М. : Советская энциклопедия, 1933, 1935. — Стб. 735-736. — (Большая советская энциклопедия : [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт ; 1926—1947, т. 63).
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ФЭС, 1966.
  3. 1 2 Поль, 1962, с. 87.
  4. Вальтер А. К. Физика атомного ядра: научно-популярный очерк. — Л.-М.: ОНТИ, главная редакция общетехнической литературы, 1935. — С. 140. — 296 с. — 5000 экз.

ЛитератураПравить

  • Поль Р. В. Учение об электричестве = Elektrizitätslehre von Robert Wichard Pohl / пер. с нем. Л. А. Тумермана. — Москва: Физматгиз, 1962. — 516 с. — 35 000 экз.
  • Б. М. Гохберг. Электростатический генератор // Физический энциклопедический словарь / гл. ред. Б. А. Введенский, Б. М. Вул. — Москва: Советская энциклопедия, 1966. — Т. 5 Спектр—Яркость. — С. 518—519. — 576 с. — 55 000 экз.

также читатьПравить

  • Вальтер А. К. с соавт. Электростатические ускорители заряженных частиц. — М., 1963.
  • Гохберг Б. М., Яньков Г. Б. Электростатические ускорители заряженных частиц. — М., 1960.
  • Dörfel G., Weihreter E. The Fifty Percent Machines — A Short History of Influence Machines and an Elementary Theory of Their Efficiency: An Attempt (англ.) // Annalen der Physik. — 2020. — P. 2000465. — doi:10.1002/andp.202000465.