Elektrostatički generatori: povijest statičkog elektriciteta

Stroj za elektrostatički generator iz Wimshursta. Povijest elektrostatskih generatora

Povijest znanosti i tehnologije stalna je evolucija otkrića i poboljšanja. Sjajan primjer za to su elektrostatički strojevi ili generatori. U ovom kratkom eseju ćemo kronološki vidjeti povijest električne energije otkrića vezana uz elektrostatiku i njihovu tehničku primjenu, posebno u obliku generatora, budući da je otkriveno da trljanje jantara privlači određene objekte i nije se dobro znalo zašto su i najsuvremeniji generatori koji su danas zastarjeli strojevi koji se koriste za podučavanje i rekreacijske igre fizike.

Elektrostatički generator je sposoban generirati visoke napone, ali s vrlo malim strujama.. Temelje se na trenju, od mehaničke energije koju moramo pridonijeti da bismo postigli trenje u dva materijala, jedan dio se pretvara u toplinu, a drugi u elektrostatičku energiju.

Drevna grčka. Počeci.

Postoje reference o privlačenju predmeta jantarom nakon trljanja krpom ili kožom, ali to nije išlo dalje od toga. Nitko nije mislio da se ova privlačnost može kontinuirano stvarati i koristiti u praksi.

Kao što sam rekao, učinak je opisan, ali nije dalje istražen. Neće biti većeg napretka na ovom polju sve do sedamnaestog stoljeća s William Gilbert i Otto von Guericke a posebno u XNUMX. stoljeću zahvaljujući djelima Franklina, Priestlyea i Coulomba.

Prirodne pojave

Učinci povezani s strujom, od riba koje su davale pražnjenje, do munje, detaljno su opisani još od starog Egipta, ali nitko nije razumio te pojave niti ih povezao. Bili su misterij.

585. godine prije Krista grčki filozof Thales iz Mileta proučavao je svojstva kamena kamena koji je privlačio željezo uspoređujući ga s onim jantara koji privlači mnoge vrste predmeta. On je prvi naveo ovo svojstvo jantara. Na grčkom je jantar Elektron.

XNUMX. st. počinje revolucija

Ovdje stvar počinje uzimati maha. Sve više i više otkrića vezanih uz električnu energiju počinju dolaziti u groznicu u drugoj polovici XNUMX. stoljeća.

William Gilbert dao je ime elektricitetu
William Gilbert (1544. - 1603.)

William Gilbert 1600. godine otkrili su da gorski kristal i neki dragulji također privlače predmete, poput jantara, kada se trljaju. Sve te tvari nazvao je električnim jer su imale ista svojstva kao i jantar kao što smo rekli na grčkom se govorilo Elektron a pojava se zvala elektricitet. Ovaj izraz se pojavljuje u njegovoj poznatoj knjizi De Magnete.

Ovdje već imamo svoju voljenu struju. Budući da se činilo da ovaj elektricitet ostaje u tijelima ako nije bilo varijacija koje bi ih modificirale, nazvan je statički elektricitet.

William Gilbert također je izumio elektroskop alat koji vam daje do znanja je li tijelo opterećeno ili ne

Na blogu Kako napraviti domaći elektroskop

Sumporna lopta Otta von Guerickea

Sumporna lopta Otta von Guerickea

Godine 1660. Otto von Guericke (1602.-1686.), poznat po svojim vakuumskim eksperimentima i izumu zračne pumpe 1645. godine, izumio je prvi jednostavni elektrostatički generator. Sastojao se od kugle ili globusa od sumpora koji se okretao oko osi s polugom i stvarao električnu energiju trljanjem o ruku.

Mogao se puniti i prazniti neograničeno vrijeme i čak je uspio proizvesti iskre svojom elektrificiranom kuglom.

Guericke je napravio svoju loptu izlivši otopljeni sumpor u šuplju staklenu kuglu. Nakon što se sumpor ohladio, stakleni kalup je razbijen. Kasnije će otkriti da je sama staklena kugla sama po sebi postigla iste rezultate.

Hauksbee živa žarulja i generator

Znanstvena istraživanja se nastavljaju i pojavljuje se prva stvarno praktična uporaba.

hauksbee generator

Godine 1706. ovaj engleski fizičar izgradio je kristalnu kuglu koja se rotirala pomoću poluge i koja je kroz trenje stvarala električni naboj veći od naboja sumporne kugle.

Primijećeno je da ako se živin barometarski uređaj koji je izumio Evangelista Torricelli protrese i da se prazan dio pogleda u mraku, on emitira svjetlost. Tako je 1730. god Francis Hauksbee, izumio je prvu živinu žarulju na plin. Dizajnirao je stroj koji se sastojao od rotora za trljanje malog jantarnog diska u vakuumskoj komori i kada je u toj komori bilo pare žive, ona se zapalila.

Čudne upotrebe

Kao što sam rekao u odjeljku o kugli sumpora, stakleni kalup je radio jednako dobro kao i sumpor za izradu elektrostatičkog generatora. Tako je Winkler postavio svoj elektrostatički stroj koristeći čaše za pivo kao rotor (ovu sam anektodu pronašao samo u web i nisam uspio usporediti informacije. Ostavljam ga jer mi se čini znatiželjnim i vjerodostojnim, ali pažljivo ga shvati)

Elektrostatički elektricitet i njegovi strojevi postali su u XNUMX. stoljeću igračka s kojom su ljudi željeli eksperimentirati. Ljudi su željeli osjetiti strujni udar i uređaje poput «električni poljubac«, gdje su par bili postavljeni na platforme tako da su bili nabijeni statičkim elektricitetom i kada bi se poljubili skočila bi iskra.

električni poljubac, salonska igra iz XNUMX. stoljeća za eksperimentiranje s strujom

I kao i uvijek pojavili su se šarlatani koji su iskorištavali ljude tvrdeći da mogu liječiti bolesti strujnim udarima. Kao što su radili s magnetskim svojstvima i danas rade sa svim vrstama proizvoda, kamenjem, bjelilom i ostalim. Čovječanstvo nikada nije spašeno od pikareske i prevaranata.

Leydenska boca

Leydenska boca

Godine 1745. Ewald Jürgen von Kleist (1700-1748) izumio je Leydensku bocu ili Leydensku posudu. Dok je pokušavao pronaći način pohranjivanja električne energije, palo mu je na pamet da upotrijebi bocu napunjenu vodom ili živom. Sljedeće godine i samostalno fizičar Cunnaeus je došao do istog rješenja u Leydenu, u Nizozemskoj. Ovo je naziv koji trenutno poznajemo za izum.

Leydenska boca je preteča kondenzatora a iz njegova proučavanja i inovacije proizašli su ti elementi. Nakon proučavanja koje su tvari bolje pohranjivati ​​energiju unutar boce, shvatili su da ako ostavite bocu praznu i dodate sloj metala unutar i izvan boce, pohranjuje se i elektrostatička energija.

A ovo je već a kondenzator Trenutno. Dva metalna lima odvojena dielektrikom.

I tako dolazimo do prva poznata žrtva i zapisizadane strujnim udarom (ne računajući ljude poginule od udara groma, naravno). Kako bi postigli veće naboje, počeli su spajati nekoliko boca Leydena formirajući bateriju.

Leyden baterija za bocu

I premda je francuski opat Nollet pokazao da su male životinje poput ptica i riba odmah ubijene ispuštanjem leydenskog vrča, nitko nije zamišljao opasnost koju bi ta nova energija s kojom su se igrali mogla potaknuti.

Dana 6. kolovoza 1783. u Sankt Peterburgu, profesora Richmana i njegove asistente pogodila je munja iz kondenzatora za punjenje. Asistentu se ništa nije dogodilo, ali je Richman odmah umro. U liječničkom nalazu stoji:

Imao je samo malu rupu na čelu, spaljenu lijevu cipelu i plavu mrlju na stopalu. […] Mozak je bio u redu, prednji dio pluća zdrav, ali stražnji dio je bio smeđi i crn od krvi.

Kako izraditi boca domaćeg Leydena.

Benjamin Franklin i gromobran

Benjamin Franklin i otkriće gromobrana sa zmajem

Vjerojatno najpoznatija elektrostatička priča je ona o Benjaminu Franklinu i njegovim olujnim dnevnim kometima. Benjamin Franklin bio je obožavatelj Leydenovih boca.

Predložio je da kada je došlo do viška električna tekućina zvati će se pozitivni elektricitet a kada je postojao nedostatak, negativan elektricitet.

Promatrajući kako su se boce iz Leydena ispraznile, primijetio je da kada se istroše ispuštaju iskru vrlo sličnu zvuku, pucanju, sličnom grmljavini.

Godine 1745. započeo je svoje pokuse na elektricitetu. Imao je intuiciju da je munja električni naboj i želio je to dokazati.

Godine 1751. u oluji je pustio zmaja s metalnim vrhom, bio je pričvršćen za svilenu nit. Na kraju, blizu Franklina, bila je druga žica s metalnim ključem. Došao je pohraniti energiju iz munje u leydenskim bocama.

Svojim je iskustvima brzo pronašao praktičnu primjenu, gromobran. Primijetio je da su se boce ranije ispuštale ako su imale iglu, a budući da je zaključio da zrake idu prema zgradama i da su nabijene, razmišljao je o tome da stavi šiljastu metalnu šipku i spoji je sa zemljom kako bi se biti otpušten.

Godine 1752. objavio je svoje ideje u Almanah jadnog Richarda i to je bio uspjeh jer su gromobrane postavljali u zgrade.

Coulombov zakon

1785. iznio je svoj slavni zakon.

Coulombov zakon
Od korisnika: Dna-Denis, CC BY 3.0,

Iz njihovih iskustava se zaključilo da je sila djelovala između dva električna naboja u mirovanju (elektrostatička), koji se nalaze u vakuumu i čije su dimenzije male u odnosu na udaljenost koja ih dijeli, imaju sljedeće karakteristike (za terete koji su točni):

  1. Djeluje u smjeru linije koja spaja oba naboja.
  2. Privlačan je ako su naboji prepoznatljivi i odbojni ako su isti
  3. Proporcionalan je umnošku količina opterećenja
  4. Ona je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti koje ih razdvajaju.

U Međunarodnom sustavu jedinica, jedinica električnog naboja je kulon (C) koji je definiran počevši od osnovne jedinice jakosti struje I koja je amper (A)


Rotor diska i stog

Godine 1800. prvi diskovni generatori. Tvoj inventor je bio Winter, ruka je zamijenjena kožnim jastukom pripremljenim sa živom za trenje, čime se postiže kontinuiraniji rezultat.

U isto vrijeme, oko 1799. izvedeni su prvi elektrolitski pokusi donDobiven je isti ili bolji rezultat nego kod Leydenovih boca.

En 1800. Alessandro Volta je predstavio prvu električnu bateriju, voltaičnu bateriju To je bila potpuna revolucija jer je prevladala mnoge probleme elektrostatike i omogućila kontinuirano i po volji generiranje energije. Kronologijom povijesti kemijskih baterija bavit ću se u drugom eseju.

Električni generator i Faradayev kavez

Godine 1836. Faraday je otkrio ovaj fenomen prema kojem je elektromagnetsko polje unutar vodiča u ravnoteži jednako nuli.

Danas se ovaj koncept koristi kao zaštita od prenapona u mnogim radijima, tvrdim diskovima, televizorima, repetitorima i za zaštitu elektroničke opreme u zrakoplovima od spaljivanja gromova.

prethodno 1831. izumio je električni generator istosmjerne struje, A dinamo. Otkrio je da ako pomaknemo zatvoreni krug u magnetskom polju, nastaje elektromotorna sila.

Stroj Wimshurst

Elektrostatički generator Wimshurstovog stroja

Oni su najnapredniji generatori elektrostatičkih diskova i predstavljaju vrhunac ove vrste stroja koji je malo-pomalo bio preveden u znanstvenu radoznalost i igračku za djecu.

Generator je električnih naboja elektrostatičkom indukcijom. U ovom dijelu generatore ovog tipa razvili su Wilhelm Holtz (1865. i 1867.), August Toepler (1865.) i J. Robert Voss (1880.). Ali to su bili manje učinkoviti strojevi i s tendencijom dosta mijenjanja polariteta.

Stroj Wimshurst riješio je sve ove probleme. Postižu se naponi od 200.000 do 300.000 volti.

Dobiveni su vrlo dobri rezultati i korišteni su za napajanje rendgenskih cijevi.

Na blogu Kako napraviti Wimshurst stroj


Ruhmkorffova indukcijska zavojnica

Indukcijski svitak

Godine 1857. Heinrich Daniel Ruhmkorf izumio je indukcijsku zavojnicu, svojevrsni transformator koji omogućuje slanje visokonaponskih impulsa iz istosmjerne struje niskog napona.

Ovo otkriće je bilo ono koje je počelo potiskivati ​​sve elektrostatičke strojeve. To ih je učinilo zastarjelim.


Generator Van De Graaffa

Van de Graaff elektrostatički generator
De Zatonyi Šandor, (ifj.) Fizped - Vlastiti rad, CC BY 3.0,

Uzimamo timeskip i idemo 1931. Robert Van de Graaff izumio je generator koji nosi njegovo ime za generiranje visokih napona reda veličine 20 milijuna volti. ubrzati čestice u laboratoriju .. U svom prvom modelu izvijestio je o 1,5 milijuna volti.

To je generator istosmjerne struje. Šalje naboje niz pojas do šupljeg elementa, obično kugle.

Najveći potencijal koji ima Van de Graffov akcelerator je 25.5 MV, dosegnut je Tandemom u "Holifield Radioactive Ion Beam Facility" u "Oak Ridge National Laboratory"

U Ikkaro Kako napraviti generator Van de Graaff


Elektrostatički generator pare

Želim navesti ovaj generator jer se njegov rad temelji na drugačijem principu od onoga što smo do sada vidjeli.

Vlažna para koja se probija kroz mlaznicu uzrokuje električni naboj. Bili su teški za održavanje i vrlo skupi strojevi, ali su u svoje vrijeme davali dobre rezultate.

Zaključak

Električna energija je imala veliki tehnički i teorijski napredak od sedamnaestog stoljeća do danas. Druga polovica XIX stoljeća je inženjerska apoteoza sa stotinama napretka i modifikacija.

U ovom smo testu pratili evoluciju statičkog elektriciteta kroz elektrostatičke generatore koji su proizvedeni. Od otkrića do posljednjih generatora.

Kao što ste mogli vidjeti, iako sam to spomenuo, nisam se bavio električnim baterijama, elektrolizom ili generiranjem istosmjerne i izmjenične struje, ratom struja ili velikim brojem tema vezanih uz povijest električne energije. ali to je toliko široka tema da sam je htio suziti fokusirajući se na elektrostatiku, što je, recimo, prva faza od otkrića elektriciteta.

Ako vidite da sam ostavio važnu točku u području elektrostatike ili izumitelje, inženjere i znanstvenike koji su je proučavali, ne ustručavajte se ostaviti mi komentar.

izvori

Ostavi komentar