Generator elektrostatik — perangkat, prinsip operasi dan aplikasi

Muatan listrik — fenomena ketika dua muatan berlawanan dengan besaran yang sama dibatalkan. Jika dua benda, bermuatan kuat dengan muatan listrik yang berlawanan, berada pada jarak yang dekat satu sama lain, maka percikan api melompat di antara keduanya dan terdengar suara letupan singkat.

Gaya aksi benda bermuatan listrik pada benda lain, yang muatannya diambil sebagai satu unit, disebut potensial. Perbedaan potensial adalah tegangan.

Cara pertama untuk mendapatkan muatan listrik dan medan elektrostatik terdiri dari gesekan berbagai bahan (bulu, wol, sutra, kulit dan bahan lainnya terhadap kaca, resin, karet dll.). Pada saat yang sama, voltase dan muatannya sangat kecil. Induksi dan akumulasi muatan melalui transfer mekanis memungkinkan sedikit peningkatan tegangan yang dihasilkan.

Selanjutnya, untuk mendapatkan tegangan tinggi, dibuatlah mesin yang beroperasi secara kontinyu dengan cakram berputar berdasarkan prinsip panduan elektrostatis (induksi).Namun, mesin ini tidak memungkinkan untuk memperoleh daya tinggi dan menemukan aplikasi terutama sebagai perangkat di kantor fisika lembaga pendidikan.

Elektrifikasi benda dan induksi elektrostatis

Pesan ke tubuh muatan listrik disebut elektrifikasi… Dijelaskan dalam artikel Elektrifikasi tubuh dan interaksi muatan proses pembentukan ion positif dan negatif memberikan gambaran tentang proses elektrifikasi benda: terdiri dari transfer elektron dari satu benda ke benda lain.

Dengan demikian muatan listrik tubuh ditentukan oleh kelebihan atau kekurangan pada tubuh. elektron… Dimungkinkan untuk menyetrum benda dengan berbagai cara, di mana gesekan, kontak, arah, transfer muatan bersifat teknis.

Proses sebaliknya - pemulihan keadaan netral tubuh (netralisasi) - terdiri dari pemberian sejumlah elektron yang hilang atau pelepasan kelebihan elektron darinya.

Selama elektrifikasi dengan gesekan, jika tidak ada muatan tambahan yang dikomunikasikan ke salah satu benda yang bersentuhan dari luar, kedua benda tersebut dibebankan dengan jumlah listrik yang sama dengan tanda yang berbeda. Saat benda terhubung, muatannya sepenuhnya dinetralkan.

Dengan cara ini, muatan tidak dibuat atau dihancurkan, tetapi hanya dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Ini meyakinkan kita tentang adanya hukum kekekalan muatan listrik, misalnya hukum kekekalan energi.

Listrik statis - muatan listrik saat istirahat. Terjadi sebagai akibat gesekan antara dua non-konduktor atau non-konduktor dan logam (misalnya sabuk penggerak motor), tetapi belum tentu benda padat.

Listrik statis juga dapat muncul dari gesekan cairan atau gas tertentu. Orang dengan kulit sangat kering menumpuk muatan listrik. Selama gerakan (menggosok serat pada kulit), muatan listrik statis yang signifikan terjadi pada kain, kain melekat pada tubuh dan mencegah gerakan.

Listrik statis menjadi berbahaya di lingkungan yang mudah terbakar dan meledak di mana satu percikan api dapat menyulut seluruh massa. Dalam hal ini, perlu segera melepaskan muatan statis ke tanah atau udara melalui beberapa perangkat logam yang konduktivitasnya dapat ditingkatkan dengan pelembapan atau iradiasi.

induksi elektrostatik — munculnya muatan listrik pada kabel di bawah pengaruh muatan lain yang terletak di dekat kabel (elektrifikasi tubuh dari kejauhan).

Di bawah aksi muatan eksternal, muatan diinduksi (muncul) di ujung terdekat konduktor, yang tandanya berlawanan dengan tanda muatan yang bekerja dari luar, dan di ujung jauh konduktor, a muatan dengan tanda yang sama. Dalam hal ini, kedua muatan induktif sama besarnya, yaitu induksi hanya menyebabkan pemisahan muatan pada kawat, tetapi tidak mengubah muatan total pada kawat (karena jumlah muatan induksi adalah nol).

Besarnya muatan induksi dan lokasinya ditentukan oleh kondisi bahwa tidak boleh ada medan elektrostatis di dalam konduktor. Oleh karena itu, muatan induksi diposisikan sedemikian rupa sehingga medan listrik yang dihasilkannya menghancurkan medan di dalam kabel yang dihasilkan oleh muatan induktif.

Contoh induksi elektrostatik: dalam elektroskop tidak bermuatan muatan listrik, positif dan negatif, berada dalam jumlah yang sama dan oleh karena itu elektroskop tidak dialiri arus listrik.

Jika batang kaca dengan muatan positif mendekatinya, maka elektron bebas akan secara bersamaan tertarik padanya dan muatan positif dari elektroskop secara bersamaan ditolak.

Muatan negatif terkonsentrasi lebih dekat ke batang kaca, terhubung dengannya, sedangkan muatan positif ditolak dan oleh karena itu terletak di sisi belakang elektroskop - bebas.

Elektroskop sekarang dialiri listrik. Namun, kondisi ini tidak bertahan lama. Perlu melepas batang kaca, karena pemisahan muatan menjadi positif dan negatif dilanggar, keadaan netral elektroskop dipulihkan dan daunnya kembali ke posisi semula.

Elektroskop — perangkat yang memungkinkan untuk menentukan dengan muatan apa tubuh dialiri listrik. Ini terdiri dari batang logam dengan bola atau pelat di ujung atas dan dua lembaran logam yang menggantung bebas di bagian bawah. Pengoperasian elektroskop didasarkan pada prinsip: benda dengan nama yang sama saling tolak (Lihat — Prinsip pengoperasian elektroskop).

Induksi elektrostatik merupakan salah satu penyebab dari petir di alam, — manifestasi listrik statis atmosfer yang paling kuat dan berbahaya.

Petir Ini adalah pelepasan listrik atmosfer antara bagian individu awan, awan individu, awan dan Bumi, dari Bumi ke awan. Dengan kata lain, petir dapat didefinisikan sebagai arus listrik berdurasi pendek, percikan listrik yang menyamakan potensial listrik.

35 Pertanyaan Yang Sering Diajukan Tentang Petir dan Petir

Generator elektrostatik Van de Graaf

Untuk tujuan ilmiah dan teknis (misalnya, dalam fisika nuklir, radiobiologi, terapi sinar-X, pengujian material, deteksi cacat, dll.), Diperlukan perangkat yang dapat menghasilkan voltase beberapa juta volt.

Perangkat semacam itu secara teknis adalah generator elektrostatis canggih dengan tegangan langsung tinggi. Yang paling terkenal adalah generator Van de Graaf, dibuat pada tahun 1829 oleh seorang fisikawan Amerika Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Generator Van de Graaf (1933) dengan tegangan 7 megavolt

Generator adalah bola berongga logam yang dipasang pada kolom berongga tinggi dari bahan isolasi. Dimensi bola dan tinggi kolom ditentukan oleh batas tegangan generator yang dibutuhkan (misalnya, untuk generator dengan tegangan 5 MV, diameter bola mencapai 5 m). Sabuk tak berujung dari bahan isolasi (sutra, karet) bergerak di dalam kolom, yang berfungsi sebagai konveyor untuk mentransfer muatan ke bola.

Saat Anda bergerak ke atas, strip berjalan di bagian bawah perangkat melewati sikat yang terhubung ke salah satu tiang sumber arus searah tegangan sekitar 10.000 V (penyearah yang sesuai dapat berfungsi sebagai sumber ini) Dalam merancang generator elektrostatik pertamanya, Van de Graaf menggunakan perangkat dengan tabung vakum.

Perangkat generator elektrostatik Van de Graaff

Dari ujung sikat ini, muatan mengalir ke bawah ke sabuk, yang membawanya ke dalam bola, dan melalui sikat kedua mengalir ke permukaan luar bola.Untuk meningkatkan proses pemindahan bagian pita yang tidak bermuatan ke bawah, muatan dari tanda yang berlawanan dipindahkan, dengan bantuan sikat yang dilepas dari bola yang diisi.

Karena induksi elektrostatik, muatan negatif muncul pada sikat, yang dibawa oleh pelepasan ke bagian sabuk yang turun. Muatan ini kemudian ditransfer ke sikat dan rol bawah yang diardekan, melalui mana ia dibuang ke tanah.

Saat pita terus bergerak, muatan pada bola meningkat hingga mencapai nilai ambang yang ditentukan sebelumnya yang ditentukan oleh diameter bola dan jarak darinya ke elektroda lain atau ke ground.

Saat pita terus bergerak, muatan pada bola meningkat hingga mencapai nilai ambang yang ditentukan sebelumnya yang ditentukan oleh diameter bola dan jarak darinya ke elektroda lain atau ke ground.

Untuk meningkatkan voltase, dua perangkat semacam itu dipasang, di mana bola menerima muatan dengan tanda berlawanan. Jadi, misalnya, untuk mendapatkan tegangan 10 MV, dua generator digunakan, dibebankan ke tanah hingga +5 MV dan -5 MV dan dipasang pada jarak sedemikian rupa sehingga kemungkinan kerusakan pada tegangan lebih kecil. dari yang diberikan Dimatikan.

Saat ini, ada sejumlah besar model generator elektrostatis yang berbeda, termasuk yang mengulangi desain Van de Graaff. Mereka digunakan baik untuk eksperimen fisik maupun sebagai daya tarik untuk hiburan dan demonstrasi aksi. listrik statis.

Ini menarik: Nanogenerator efek triboelektrik (TENG)