เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต — อุปกรณ์ หลักการทำงาน และการประยุกต์ใช้

ค่าไฟฟ้า — ปรากฏการณ์ที่ประจุคู่ตรงข้ามที่มีขนาดเท่ากันหักล้างกัน หากวัตถุสองชิ้นที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกันอยู่ใกล้กัน จะเกิดประกายไฟระหว่างกันและได้ยินเสียงดังสั้นๆ

แรงกระทำของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าบนอีกวัตถุหนึ่งซึ่งมีประจุเป็นหน่วยเรียกว่าศักย์ไฟฟ้า ความต่างศักย์คือความต่างศักย์

วิธีแรกที่จะได้รับ ค่าไฟฟ้า และสนามไฟฟ้าสถิตประกอบด้วยแรงเสียดทานของวัสดุต่างๆ (ขนสัตว์ ขนสัตว์ ผ้าไหม หนังสัตว์ และวัสดุอื่นๆ กับแก้ว เรซิน ยาง ฯลฯ). ในเวลาเดียวกัน แรงดันและประจุมีขนาดเล็กมาก การเหนี่ยวนำและการสะสมของประจุโดยการถ่ายโอนเชิงกลทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ได้เพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ต่อจากนั้น เพื่อให้ได้ไฟฟ้าแรงสูง จึงสร้างเครื่องจักรที่ทำงานอย่างต่อเนื่องพร้อมจานหมุนตามหลักการนำทางไฟฟ้าสถิต (การเหนี่ยวนำ)อย่างไรก็ตาม เครื่องจักรเหล่านี้ไม่สามารถรับพลังงานสูงได้ และพบการใช้งานส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์ในสำนักงานฟิสิกส์ของสถาบันการศึกษา

การนำไฟฟ้าของร่างกายและการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

ข้อความไปยังร่างกายของประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไฟฟ้า… อธิบายไว้ในบทความ การสร้างกระแสไฟฟ้าของร่างกายและการทำงานร่วมกันของประจุ กระบวนการสร้างไอออนบวกและลบให้แนวคิดเกี่ยวกับกระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้าของร่างกาย: ประกอบด้วยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง

ดังนั้นประจุไฟฟ้าของร่างกายจะถูกกำหนดโดยส่วนที่เกินหรือขาดในร่างกาย อิเล็กตรอน… เป็นไปได้ที่จะทำให้ร่างกายเกิดกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีต่างๆ ซึ่งแรงเสียดทาน การสัมผัส ทิศทาง การถ่ายโอนประจุเป็นเรื่องทางเทคนิค

กระบวนการย้อนกลับ - การฟื้นฟูสถานะเป็นกลางของร่างกาย (การทำให้เป็นกลาง) - ประกอบด้วยการให้จำนวนอิเล็กตรอนที่ขาดหายไปหรือกำจัดส่วนเกินออกจากมัน

ในระหว่างการทำให้เกิดไฟฟ้าโดยแรงเสียดทาน หากไม่มีการสื่อสารประจุไฟฟ้าเพิ่มเติมไปยังวัตถุที่สัมผัสกันจากภายนอก วัตถุทั้งสองจะถูกประจุด้วยไฟฟ้าในปริมาณที่เท่ากันของสัญญาณที่ต่างกัน เมื่อร่างกายเชื่อมต่อกัน ประจุของพวกมันจะถูกทำให้เป็นกลางอย่างสมบูรณ์

ด้วยวิธีนี้ ประจุจะไม่ถูกสร้างหรือทำลาย แต่จะถ่ายโอนจากร่างหนึ่งไปยังอีกร่างหนึ่งเท่านั้น สิ่งนี้ทำให้เรามั่นใจในการมีอยู่ของกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า เป็นต้น กฎการอนุรักษ์พลังงาน.

ไฟฟ้าสถิต - ประจุไฟฟ้าขณะหยุดนิ่ง เกิดขึ้นจากแรงเสียดทานระหว่างสองสิ่งที่ไม่ใช่ตัวนำหรือสิ่งที่ไม่ใช่ตัวนำกับโลหะ (เช่น สายพานขับมอเตอร์) แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นของแข็งเสมอไป

ไฟฟ้าสถิตยังเกิดขึ้นได้จากการเสียดสีของของเหลวหรือก๊าซบางชนิด ผู้ที่มีผิวแห้งมากสะสมประจุไฟฟ้า ในระหว่างการเคลื่อนไหว (การเสียดสีของเส้นใยบนผิวหนัง) จะเกิดประจุไฟฟ้าสถิตที่สำคัญในเนื้อผ้า ผ้าจะยึดเกาะกับร่างกายและป้องกันการเคลื่อนไหว

ไฟฟ้าสถิตย์กลายเป็นอันตรายในสภาพแวดล้อมที่ไวไฟและระเบิดได้ ซึ่งประกายไฟเพียงครั้งเดียวสามารถจุดชนวนมวลทั้งหมดได้ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตลงสู่พื้นดินหรือในอากาศทันทีโดยใช้อุปกรณ์โลหะบางชนิด ซึ่งค่าการนำไฟฟ้าสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการทำความชื้นหรือการฉายรังสี

การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต — การปรากฏตัวของประจุไฟฟ้าบนเส้นลวดภายใต้อิทธิพลของประจุอื่นที่อยู่ใกล้เส้นลวด

ภายใต้การกระทำของประจุภายนอก ประจุจะถูกเหนี่ยวนำ (เกิดขึ้น) ที่ปลายที่ใกล้ที่สุดของตัวนำ เครื่องหมายซึ่งอยู่ตรงข้ามกับเครื่องหมายของประจุที่กระทำจากภายนอก และที่ปลายสุดของตัวนำ a ค่าเครื่องหมายเดียวกัน ในกรณีนี้ ประจุไฟฟ้าอุปนัยทั้งสองมีขนาดเท่ากัน นั่นคือ การเหนี่ยวนำทำให้เกิดการแยกของประจุบนเส้นลวดเท่านั้น แต่ไม่เปลี่ยนประจุทั้งหมดบนเส้นลวด (เนื่องจากผลรวมของประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นศูนย์)

ขนาดของประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำและตำแหน่งของประจุถูกกำหนดโดยเงื่อนไขว่าไม่ควรมีสนามไฟฟ้าสถิตภายในตัวนำ ดังนั้น ประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำจึงอยู่ในตำแหน่งที่สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นทำลายสนามภายในเส้นลวดที่สร้างโดยประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ตัวอย่างของการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต: ในกล้องอิเล็กโทรสโคปที่ไม่มีประจุ ประจุไฟฟ้าทั้งบวกและลบจะมีปริมาณเท่ากัน ดังนั้นอิเล็กโทรสโคปจะไม่ถูกทำให้เป็นไฟฟ้า

หากแท่งแก้วที่มีประจุบวกเข้าใกล้อิเล็กตรอนอิสระจะถูกดึงดูดไปพร้อม ๆ กันและประจุบวกของอิเล็กโทรสโคปจะถูกผลักออกไปพร้อมกัน

ประจุลบจะกระจุกตัวอยู่ใกล้แท่งแก้วมากขึ้น เชื่อมต่ออยู่กับประจุบวก ในขณะที่ประจุบวกถูกผลักออกไป ดังนั้นจึงอยู่ที่ด้านหลังของอิเล็กโทรสโคป ซึ่งไม่มีค่าใช้จ่าย

ตอนนี้อิเล็กโทรสโคปถูกทำให้เป็นไฟฟ้าแล้ว อย่างไรก็ตามสถานะนี้ไม่ยาวนาน ควรถอดแท่งแก้วออกเนื่องจากการแยกประจุออกเป็นบวกและลบถูกละเมิดสถานะที่เป็นกลางของอิเล็กโทรสโคปจะกลับคืนมาและใบไม้จะกลับสู่ตำแหน่งเดิม

อิเล็กโทรสโคป — อุปกรณ์ที่สามารถกำหนดได้ด้วยประจุไฟฟ้าที่ร่างกายได้รับ ประกอบด้วยแท่งโลหะที่มีลูกหรือแผ่นที่ปลายด้านบน และแผ่นโลหะที่ห้อยอย่างอิสระสองแผ่นที่ด้านล่าง การทำงานของอิเล็กโทรสโคปนั้นขึ้นอยู่กับหลักการ: ร่างกายที่มีชื่อเดียวกันจะผลักกัน (ดู — หลักการทำงานของอิเล็กโทรสโคป).

การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตเป็นสาเหตุหนึ่งของ ฟ้าผ่าในธรรมชาติ, — การแสดงไฟฟ้าสถิตย์ในชั้นบรรยากาศที่ทรงพลังและอันตรายที่สุด

ฟ้าผ่า เป็นการปล่อยกระแสไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศระหว่างส่วนต่างๆ ของเมฆ เมฆแต่ละก้อน เมฆและโลก จากโลกสู่เมฆ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฟ้าผ่าสามารถกำหนดได้ว่าเป็นกระแสไฟฟ้าในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งเป็นประกายไฟที่ทำให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน

35 คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับพายุฝนฟ้าคะนองและฟ้าผ่า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต Van de Graaf

สำหรับวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค (เช่น ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ รังสีชีววิทยา การบำบัดด้วยรังสีเอกซ์ การทดสอบวัสดุ การตรวจจับข้อบกพร่อง ฯลฯ) จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้หลายล้านโวลต์

อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตขั้นสูงทางเทคนิคที่มีแรงดันไฟตรงสูง ที่มีชื่อเสียงที่สุดคือเครื่องกำเนิด Van de Graaf ซึ่งสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2372 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน โรเบิร์ต ฟาน เดอ กราฟ (พ.ศ. 2444 - 2510).

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaf (1933) ที่มีแรงดันไฟฟ้า 7 เมกะโวลต์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นลูกโลหะกลวงที่ติดตั้งบนเสากลวงสูงที่ทำจากวัสดุฉนวน ขนาดของลูกบอลและความสูงของคอลัมน์ถูกกำหนดโดยขีด จำกัด ของแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ตัวอย่างเช่นสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้า 5 MV เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลถึง 5 ม.) สายพานที่ไม่มีที่สิ้นสุดของวัสดุฉนวน (ผ้าไหม, ยาง) เคลื่อนที่ภายในคอลัมน์ซึ่งทำหน้าที่เป็นสายพานลำเลียงสำหรับการถ่ายโอนประจุไปยังทรงกลม

เมื่อคุณเลื่อนขึ้น แถบจะวิ่งที่ด้านล่างของอุปกรณ์ผ่านแปรงที่เชื่อมต่อกับขั้วหนึ่งของแหล่งกำเนิด กระแสตรง แรงดันไฟฟ้าประมาณ 10,000 V (วงจรเรียงกระแสที่เหมาะสมสามารถใช้เป็นแหล่งนี้ได้) ในการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตเครื่องแรกของเขา Van de Graaf ใช้อุปกรณ์ดังกล่าว ด้วยหลอดสุญญากาศ.

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต Van de Graaff

จากปลายแปรงนี้ ประจุไฟฟ้าจะไหลลงสู่สายพานซึ่งบรรจุอยู่ภายในลูกบอล และผ่านแปรงที่สอง ประจุจะผ่านไปยังพื้นผิวด้านนอกของลูกบอลเพื่อปรับปรุงกระบวนการย้ายเทปส่วนที่ไม่มีประจุลง ประจุของเครื่องหมายตรงข้ามจะถูกถ่ายโอนโดยใช้แปรงที่ดึงออกจากลูกบอลที่มีประจุ

เนื่องจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต ประจุลบจะปรากฏบนแปรง ซึ่งถูกพัดพาไปยังส่วนถัดลงมาของสายพาน จากนั้นประจุนี้จะถูกถ่ายโอนไปยังแปรงและลูกกลิ้งล่างที่ต่อสายดิน ซึ่งจะถูกปล่อยลงสู่พื้น

ขณะที่เทปเคลื่อนที่ต่อไป ประจุบนลูกบอลจะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าซึ่งกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลและระยะทางจากลูกบอลไปยังอิเล็กโทรดอื่นหรือถึงกราวด์

ขณะที่เทปเคลื่อนที่ต่อไป ประจุบนลูกบอลจะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าซึ่งกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลและระยะทางจากลูกบอลไปยังอิเล็กโทรดอื่นหรือถึงกราวด์

เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้ามีการติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวสองตัวซึ่งลูกบอลได้รับประจุจากสัญญาณตรงข้าม ตัวอย่างเช่น เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้า 10 MV จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 2 เครื่อง ชาร์จโดยคำนึงถึงพื้นถึง +5 MV และ -5 MV และติดตั้งที่ระยะห่างจากกันซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการพังทลายที่แรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า กว่าที่กำหนดปิดอยู่

ปัจจุบันมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตรุ่นต่างๆ จำนวนมาก รวมถึงรุ่นที่ทำซ้ำการออกแบบของ Van de Graaff พวกมันถูกใช้ทั้งสำหรับการทดลองทางกายภาพและเป็นสิ่งดึงดูดใจสำหรับความบันเทิงและการสาธิตการกระทำ ไฟฟ้าสถิต.

มันน่าสนใจ: เครื่องกำเนิดนาโนเอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริก (TENG)