Geradores eletrostáticos — dispositivo, princípio de operação e aplicação

Carga elétrica — o fenômeno quando duas cargas opostas de igual magnitude se cancelam. Se dois corpos, fortemente carregados com uma carga elétrica oposta, estão próximos um do outro, então uma faísca salta entre eles e um pequeno estalo é ouvido.

A força de ação de um corpo eletricamente carregado sobre outro, cuja carga é tomada como uma unidade, é chamada de potencial. A diferença de potencial é a tensão.

Primeiras maneiras de obter cargas elétricas e campos eletrostáticos consistem na fricção de vários materiais (pele, lã, seda, couro e outros materiais contra vidro, resina, borracha etc). Ao mesmo tempo, as tensões e cargas eram extremamente pequenas. A indução e o acúmulo de cargas por transferência mecânica possibilitaram um leve aumento nas tensões resultantes.

Posteriormente, para obter altas tensões, foram criadas máquinas de funcionamento contínuo com discos rotativos baseadas no princípio de orientação eletrostática (indução).No entanto, essas máquinas não possibilitavam a obtenção de alta potência e encontravam aplicação principalmente como dispositivos nos gabinetes de física de instituições de ensino.

Eletrificação de corpos e indução eletrostática

A mensagem para o corpo de cargas elétricas é chamada eletrificação… Descrito no artigo Eletrificação de corpos e interação de cargas o processo de formação de íons positivos e negativos dá uma ideia do processo de eletrificação dos corpos: consiste na transferência de elétrons de um corpo para outro.

Assim, a carga elétrica do corpo é determinada pelo excesso ou deficiência no corpo. elétrons… É possível eletrificar um corpo de várias maneiras, das quais fricção, contato, direção, transferência de carga são técnicas.

O processo inverso — restauração do estado neutro do corpo (neutralização) — consiste em dar-lhe um número de elétrons que falta ou retirar dele um excesso deles.

Durante a eletrificação por fricção, se nenhuma carga adicional for comunicada a nenhum dos corpos em contato do lado de fora, ambos os corpos serão carregados com a mesma quantidade de eletricidade de sinais diferentes. Quando os corpos estão conectados, suas cargas são completamente neutralizadas.

Desta forma, as cargas não são criadas ou destruídas, mas apenas transferidas de um corpo para outro. Isso nos convence da existência da lei de conservação de cargas elétricas, por exemplo lei da conservação da energia.

Eletricidade estática — carga elétrica em repouso. Ocorre como resultado do atrito entre dois não condutores ou um não condutor e um metal (por exemplo, correias de transmissão de motores), mas não necessariamente corpos sólidos.

A eletricidade estática também pode surgir do atrito de certos líquidos ou gases. Pessoas com pele muito seca acumulam cargas elétricas. Durante o movimento (fricção das fibras na pele), ocorre uma carga elétrica estática significativa no tecido, o tecido adere ao corpo e impede o movimento.

A eletricidade estática torna-se perigosa em ambientes inflamáveis ​​e explosivos, onde uma única faísca pode inflamar uma massa inteira. Nesse caso, é necessário liberar imediatamente a carga estática no solo ou no ar por meio de algum dispositivo metálico cuja condutividade possa ser aumentada por umidificação ou irradiação.

indução eletrostática — o aparecimento de cargas elétricas no fio sob a influência de outras cargas localizadas próximas ao fio (eletrificação do corpo à distância).

Sob a ação de uma carga externa, uma carga é induzida (surge) na extremidade mais próxima do condutor, cujo sinal é oposto ao sinal da carga agindo de fora e, na extremidade oposta do condutor, um carga de mesmo sinal. Nesse caso, ambas as cargas indutivas são iguais em magnitude, ou seja, a indução causa apenas uma separação das cargas no fio, mas não altera a carga total no fio (já que a soma das cargas induzidas é zero).

A magnitude das cargas induzidas e sua localização são determinadas pela condição de que não deve haver campo eletrostático dentro do condutor. Portanto, as cargas induzidas são posicionadas de forma que o campo elétrico que elas criam simplesmente destrua o campo dentro do fio que é criado pela carga indutiva.

Um exemplo de indução eletrostática: em um eletroscópio descarregado, ambas as cargas elétricas, positiva e negativa, estão em quantidades iguais e, portanto, o eletroscópio não está eletrificado.

Se um bastão de vidro com carga positiva se aproximar dele, os elétrons livres serão simultaneamente atraídos por ele e a carga positiva do eletroscópio repelida simultaneamente.

A carga negativa está concentrada mais perto do bastão de vidro, está conectada a ele, enquanto a carga positiva é repelida e, portanto, localizada na parte de trás do eletroscópio - está livre.

O eletroscópio agora está eletrificado. No entanto, esse estado não é duradouro. Vale a pena retirar o bastão de vidro, pois a separação da carga em positiva e negativa é violada, o estado neutro do eletroscópio é restaurado e suas folhas voltam à posição original.

Eletroscópio — um dispositivo com o qual é possível determinar com que carga o corpo está eletrificado. Consiste em uma haste de metal com uma bola ou placa na extremidade superior e duas folhas de metal suspensas na parte inferior. A operação do eletroscópio é baseada no princípio: corpos de mesmo nome se repelem (Veja - O princípio de funcionamento do eletroscópio).

A indução eletrostática é uma das causas de relâmpago na natureza, — a manifestação mais poderosa e perigosa da eletricidade estática atmosférica.

Raio É uma descarga de eletricidade atmosférica entre partes individuais da nuvem, nuvens individuais, a nuvem e a Terra, da Terra para a nuvem. Em outras palavras, o raio pode ser definido como uma corrente elétrica de curta duração, uma faísca elétrica que equaliza os potenciais elétricos.

35 perguntas frequentes sobre trovoadas e relâmpagos

Van de Graaf gerador eletrostático

Para fins científicos e técnicos (por exemplo, em física nuclear, radiobiologia, terapia de raios-X, teste de materiais, detecção de falhas, etc.), são necessários dispositivos que possam gerar tensões de vários milhões de volts.

Esses dispositivos são geradores eletrostáticos tecnicamente avançados com alta tensão direta. O mais famoso deles é o gerador Van de Graaf, criado em 1829 por um físico americano Robert van de Graaff (1901-1967).

Gerador Van de Graaf (1933) com voltagem de 7 megavolts

O gerador é uma bola oca de metal montada em uma coluna oca alta de material isolante. As dimensões da bola e a altura da coluna são determinadas pelo limite da tensão necessária do gerador (por exemplo, para um gerador com tensão de 5 MV, o diâmetro da bola atinge 5 m). Uma correia sem fim de material isolante (seda, borracha) se move dentro da coluna, que serve como transportador para a transferência de cargas para a esfera.

À medida que você sobe, a tira corre na parte inferior do dispositivo, passando pela escova conectada a um pólo da fonte corrente direta tensão de cerca de 10.000 V (um retificador adequado pode servir como fonte). Ao projetar seus primeiros geradores eletrostáticos, Van de Graaf usou o dispositivo com um tubo de vácuo.

Van de Graaff dispositivo gerador eletrostático

Das pontas dessa escova, as cargas descem para a correia, que as carrega para dentro da bola, e pela segunda escova passam para a superfície externa da bola.Para melhorar o processo de mover a parte descarregada da fita para baixo, as cargas de sinal oposto são transferidas, com o auxílio de escovas retiradas da bola carregada.

Devido à indução eletrostática, uma carga negativa aparece na escova, que é transportada pela descarga para a parte descendente da correia. Essa carga é então transferida para a escova e rolo inferior aterrado, por onde é descarregada para o solo.

À medida que a fita continua a se mover, a carga na bola aumenta até atingir um valor limite predeterminado, determinado pelo diâmetro da bola e a distância dela para outro eletrodo ou para o solo.

À medida que a fita continua a se mover, a carga na bola aumenta até atingir um valor limite predeterminado, determinado pelo diâmetro da bola e a distância dela para outro eletrodo ou para o solo.

Para aumentar a tensão, são instalados dois desses dispositivos, nos quais as bolas recebem cargas de sinais opostos. Assim, por exemplo, para obter uma tensão de 10 MV, são utilizados dois geradores, carregados em relação ao solo para +5 MV e -5 MV e instalados a uma distância tal que a possibilidade de quebra em uma tensão menor do que o dado está desligado.

Atualmente, existe um grande número de modelos diferentes de geradores eletrostáticos, inclusive aqueles que repetem o projeto de Van de Graaff. Eles são usados ​​tanto para experimentos físicos quanto como atração para demonstrações de entretenimento e ação. eletricidade estática.

É interessante: Nanogerador de efeito triboelétrico (TENG)