Электрические потенциалы высоких значений, окружают нас повсюду — от молний во время гроз, извержений вулканов, до «микромолний» при снимании синтетического свитера*.
Человек нашёл множество применений этим потенциалам — заряжая бумагу с помощью коротронов/зарядных роликов в лазерных принтерах, производя очистку воздуха от пылевых загрязнений и даже передавая на расстояние высокое напряжение, по лазерному лучу (который на краткое время создаёт ионизированный канал в воздухе).
Однако, было бы ошибкой думать, что высокое напряжение, которое может добыть человек в своих практических целях, обязательно должно быть неразрывно связано со сложными электронными схемами, производящими его — так как есть весьма простые машины, известные уже большое количество времени, с помощью которых можно генерировать достаточно немалые потенциалы, и сейчас, мы поговорим как раз именно о них, так как, зачастую, это устройства весьма примечательные, достойные более внимательного взгляда... ;-)
*Но, в самом начале, до всего рассмотрения, хотелось бы отметить любопытный факт, связанный со сниманием заряженного синтетического свитера — лично у меня, в детстве была такая забава: протирать этим свитером лампу дневного света, перегоревшую, которую забыли выкинуть, и она долго пылилась за дверью — но, стоило только поднести к ней свитер, и начать его перемещать вдоль лампы — как лампа начинала ярко светиться!
Причём, этим свитером можно было натирать лампу довольно долго, и, визуально, свечение тускнело весьма неохотно — из чего можно сделать вывод, что и свитер терял заряд весьма долго...Интересный был опыт. :-)
Однако, вернёмся к нашим генераторам...
Их конструкция, если детально разобраться в принципе действия, не содержит никакой магии, что, в свою очередь, подразумевает, возможность создания своих собственных, маленьких прототипов, хотя бы, даже в целях хобби:-)
С точки зрения электростатики, есть два разных способа получения высоких напряжений:
с помощью разделения разнородных зарядов;
с помощью изменения ёмкости* (если ёмкость системы уменьшается, при одном и том же уровне заряда, то происходит увеличение разности потенциалов).
*В виду ограниченности объёмов статьи (иначе пришлось бы её делать в несколько статей объёмом), мы ограничимся рассмотрением некоторых, наиболее известных типов генераторов первого типа (с разделением зарядов). Второго типа — с изменением ёмкости, рассмотрим несколько позднее. Либо, при желании, вы можете ознакомиться с ним самостоятельно, например, по книге: А.А.Воробьёв — «Сверхвысокие электрические напряжения».
При этом, если рассматривать сам принцип действия, то он обычно основывается (раз мы рассматриваем механические генераторы, а не электрические схемы преобразования) — на механическом переносе зарядов, с помощью разных сред (жидких, твёрдых, газообразных), где за счёт этого действия происходит повышение разности потенциалов.
Среди электростатических машин, есть один из классов, получивших достаточно большое распространение, так называемый «с влиянием» — представляющий собой разного рода транспортёры и движущиеся элементы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, где разделение зарядов происходит за счёт индукции.
Типичный представитель такого рода аппаратов выглядит следующим образом:
Как можно видеть, он представлен двумя транспортёрными лентами, движущимися относительно друг друга, на которые нанесены полоски фольги, расположенные с некоторым промежутком, и обозначенные как n1...n3, m1...m3, о которые трутся четыре электрода: A, B, C, D.
Как можно видеть, два самых крайних электрода являются изолированными, в то время как серединные связаны друг с другом и заземлены, выступая в качестве стока зарядов, и без такой их связи, работа системы была бы невозможна.
При этом, в качестве вариантов движения, может быть выбран такой, что будет двигаться, как только верхняя транспортёрная лента, так и нижняя, в то время как противоположная останется неподвижной.
Однако, рекомендуется приводить в движение обе транспортёрные ленты, причём, двигающиеся в противоположных направлениях — потому что именно такой вариант обеспечит максимальную генерацию.
Глядя на это всё, наверняка, у многих начала закрадываться мысль, что «где-то это я уже видел!» :-)
Дам небольшую подсказку: а ведь, никто не заставляет эти транспортёры делать «а-ля гусеницы танка» — они могут быть вполне себе и круглыми! И даже больше того: они могут быть даже плоскими! :-))
Если вы всё ещё не догадались, то, подскажу: мы смотрим на школьную электрофорную машину !
Или, говоря другими словами, электрофорную машину — генератор Уимсхёрста:
Как можно видеть, он представлен двумя параллельными дисками, изготовленными из токонепроводящего материала, на которые нанесены токопроводящие спицеподобные пластинки.
Внизу мы видим рукоятку для вращения дисков, которая вращает два шкива на едином валу, где, за счёт перекрещивания ремня от одного из шкивов (видно н�� заднем плане) — один из дисков вращается в одну сторону, а другой — в противоположную.
При этом, диски насажены на общий стальной вал, который с двух сторон заканчивается «нейтрализаторами» — остальными прутками, заканчивающимися щётками, трущимися об сектора — то есть, здесь мы видим тот самый механизм замыкания токопроводящих пластин на каждом транспортёре, который мы видели на схеме выше, в самом начале.
Также, на самой первой схеме выше, мы видели, что есть изолированные щётки A, D предназначенные для снимания зарядов, которые в случае электрофорной машины — могут быть выполнены как непосредственно в виде щеток, трущихся о пластины, так и в виде гребёнок, с остриями, направленными в сторону пластин (это преимущественная конструкция, чтобы избежать трения и увеличить долговечность конструкции).
Несмотря на такую крайне простецкую конструкцию, подобная машина позволяет легко генерировать весьма большие напряжения, где, даже 100 кВ не является пределом!*
*Для того, чтобы повысить величину накопленной разницы потенциалов, на концах электродов-разрядников устанавливают шары (т.е. максимально закруглённый объект, чтобы устранить любые заостренные участки, которые, потенциально, могли бы стать зонами максимальный напряжённости поля) и, разводят разрядники на значительное расстояние — всё это позволяет накапливать заряд, удерживая его от преждевременного истечения в воздух.
Ещё одним путём увеличения разницы потенциалов, воспроизводимых с помощью этой машины, является увеличение скорости вращения дисков, так как этого проще всего добиться, — ведь для этого, всего лишь достаточно вращать диски электродвигателем, а не просто рукой!
В качестве альтернативы, можно увеличивать диаметр дисков и/или их количество.
Также, следует помнить, что с увеличением разницы потенциалов, будет пропорционально расти и опасность пробоя, поэтому, придётся разводить разрядники и думать над другими способами предотвращения преждевременной потери накопленного заряда...
Тем не менее, нельзя отрицать того, что машина является очень интересной и простой, и это открывает простор для самостоятельных опытов, так как, даже с применением электронного преобразования (если получать высокие напряжения исключительно электронными преобразователями) — добиться высоких напряжений в 100 кВ и более, будет явно непростой задачей, а тут — абсолютно простой и понятный аппарат (и, надо ещё учитывать, что «дешёвый в построении»).
Более подробно о её функционировании можно почитать, например, вот здесь или, посмотреть в видео ниже:
Однако, есть и ещё один очень интересный тип генератора, название которого, многие слышали, однако, в деталях, как он работает, не многие знают, — итак, поговорим о генераторе Ван де Граафа, для чего, посмотрим на картинку ниже (схема достаточно старая, так что не удивляемся некоторым конструктивным элементам; впрочем, и сам генератор тоже «не особо новый» — 20-е годы, XX века как-никак :-) ):
Для лучшего понимания схемы, посмотрим также и на современную реплику:
Как можно видеть, такой генератор состоит из полой металлической сферы (1), установленной на цилиндре из изолирующего материала, внутри которого, на двух роликах вращается натянутая шёлковая или резиновая лента (2).
Внутри шара, заряды с ленты снимает щётка (3), а внизу, в основании цилиндра, установлена высоковольтная выпрямляющая схема, генерирующая постоянный ток с напряжением 15-30 кВ, от которой отходит коронирующая гребёнка (4), установленная прямо напротив заземлённой плоскости (5) — вся эта конструкция нужна для нанесения зарядов на движущуюся ленту.
Генераторы Ван де Граафа являются рекордсменом в мире электростатических генераторов — именно на тандемной сборке (т.е. последовательно соединённых) подобных генераторов было получено рекордное напряжение, порядка 10 млн В!
По некоторым данным, для построения такой конструкции был использован тип генераторов «с перезарядкой ремня», о котором мы узнаем ниже.
Причём, здесь мы видим новый тип генератора, который обычно называют «с внешним возбуждением» (т.е. используется внешний источник тока, для его работы) — однако, стоит упомянуть, что генераторы Ван де Граафа не ограничиваются только таким типом, и, как и в случае с электрофорной машиной, они могут быть и с «самовозбуждением» — то есть, чистыми генераторами, без подведения внешней энергии.
И, подобную модификацию можно видеть на картинке ниже:
Как можно видеть, лента, после того как сходит с верхнего шкива, получает отрицательный заряд, который, она доносит до нижнего натяжного ролика, который снимает этот заряд и отводит на землю.
Далее, лента, сходя с нижнего шкива, проходит мимо гребёнки, от которой получает положительный заряд, который доносит до верхней сферы, где этот заряд и снимается. Затем, процесс повторяется...
При этом, что интересно, типы генератора Ван де Граафа не ограничиваются только рассмотренными выше двумя вариантами — существует ещё и третий вариант, с удвоенной скоростью зарядки (его ещё называют «с перезарядкой ремня»), который, также относится к типам генераторов с внешним возбуждением:
Как можно видеть, из принципиального, можно сказать, что этот тип отличается только тем, что на нисходящей части ленты, он содержит высоковольтный вспомогательный источник (1), который постоянно удерживает нижний шкив (2) отрицательно заряженным, в результате чего (дальше будет моё понимание, так как в книге об этом пишут довольно путано и сложно понять) — из за того, что правую часть ленты мы заряжаем усиленно в отрицательный знак, она, индуктивно, продуцирует усиленный потенциал положительного знака, на восходящей части ленты — что существенно и ускоряет заряд полого шара наверху!*
*Если у вас есть иное объяснение этого момента, или более понятное, будет любопытно почитать, так как это то, как я понимаю этот процесс...
Таким образом, в качестве некоторого итога, можно сказать, мы видим, что даже простые механические устройства могут создавать весьма большие потенциалы, ��оторые, при желании, можно, если подумать, много куда применить… ;-) «Как минимум — это интересно» и позволяет проводить забавные опыты:
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
