Електростатичні генератори: Історія статичної електрики

Електростатична генераторна машина від Wimshurst. Історія електростатичних генераторів

Історія науки і техніки – це постійна еволюція відкриттів і вдосконалень. Чудовим прикладом цього є електростатичні машини або генератори. У цьому короткому есе ми розглянемо історію електрики в хронологічному порядку відкриття, пов'язані з електростатикою та її технічними застосуваннями, особливо у вигляді генераторів, оскільки було виявлено, що розтирання бурштином притягує певні об'єкти, і не було добре відомо, чому навіть найсучасніші генератори, які зараз є застарілими машинами, які використовуються для навчання та розважальних ігор з фізики.

Електростатичний генератор здатний генерувати високу напругу, але з дуже малими струмами.. Вони засновані на терті, з механічної енергії, яку ми повинні внести, щоб досягти тертя в двох матеріалах, одна частина перетворюється в тепло, а інша в електростатичну енергію.

Стародавня Греція. Початки.

Є згадки про притягнення предметів бурштином після тертя його тканиною або шкірою, але далі це не вийшло. Ніхто не думав, що цю привабливість можна генерувати постійно й застосовувати в практичній діяльності.

Як я вже сказав, ефект описаний, але не досліджуваний далі. У цій галузі не буде жодних серйозних успіхів до сімнадцятого століття Вільям Гілберт і Отто фон Геріке і особливо у XNUMX столітті завдяки роботам Франкліна, Прістлі та Кулона.

Природні явища

Ефекти, пов’язані з електрикою, від риби, яка давала розряди, до блискавки, були детально описані з часів Стародавнього Єгипту, але ніхто не розумів ці явища і не пов’язував їх. Вони були загадкою.

У 585 р. до н.е. грецький філософ Фалес Мілетський вивчав властивості каменю, який притягував залізо, порівнюючи його з властивостями бурштину, який притягує багато видів предметів.. Він першим навів на цю властивість бурштину. По-грецьки бурштин — це Електрон.

XNUMX століття починається революція

Тут справа починає розвиватися. У другій половині XNUMX століття вони починають робити все більше відкриттів, пов’язаних з електрикою з гарячкою.

Вільям Гілберт дав назву електриці
Вільям Гілберт (1544-1603)

Вільям Гілберт у 1600 році виявили, що гірський кришталь та деякі дорогоцінні камені також притягують об'єкти, наприклад, бурштин, коли їх терти. Усі ці речовини він назвав електричними, оскільки вони мали такі ж властивості, як і бурштин як ми вже говорили по-грецьки, це було сказано Електрон, а це явище назвали електрикою. Цей вислів зустрічається в його знаменитій книзі De Magnete.

У нас тут уже є улюблена електрика. Оскільки ця електрика, здавалося, залишалася в тілах, якщо не було змін, щоб їх модифікувати, її назвали статичною електрикою.

Вільям Гілберт також винайшов електроскоп інструмент, який дає вам знати, завантажено тіло чи ні

На блозі Як зробити саморобний електроскоп

Сірковий м’яч Отто фон Геріке

Сірковий м’яч Отто фон Геріке

У 1660 році Отто фон Геріке (1602-1686), відомий своїми вакуумними експериментами і винаходом повітряного насоса в 1645 році, винайшов перший простий електростатичний генератор. Він складався з кулі або кулі сірки, яка оберталася навколо осі за допомогою кривошипа і генерувала електрику, тертя об руку.

Його можна було заряджати й розвантажувати нескінченно довго і навіть утворювати іскри за допомогою електрифікованої кулі.

Геріке зробив свою кульку, вливаючи розплавлену сірку в порожнисту скляну кулю. Після охолодження сірки скляна форма була розбита. Пізніше вони виявили, що сама скляна куля досягла тих же результатів сама по собі.

Ртутна газорозрядна лампа та генератор Hauksbee

Наукові дослідження тривають і з'являється перше дійсно практичне застосування.

генератор hauksbee

У 1706 році цей англійський фізик побудував кристалічну сферу, яка оберталася за допомогою кривошипа і яка через тертя створювала електричний заряд, більший, ніж у сірчаної кулі.

Було помічено, що якщо струшувати ртутний барометричний прилад, винайдений Єванджелістою Торрічеллі, і дивитися на порожню частину в темряві, він випромінює світло. Так у 1730 р Френсіс Хоксбі винайшов першу ртутну газорозрядну лампу. Він сконструював машину, яка складалася з ротора для тертя невеликого бурштинового диска у вакуумній камері, і коли в цій камері були пари ртуті, він спалахував.

Дивне використання

Як я вже говорив у розділі про сірчану кульку, скляна форма працювала так само добре, як і сірка, щоб зробити електростатичний генератор. Тож Вінклер створив свою електростатичну машину, використовуючи пивні келихи як ротор (я знайшов цей анектод лише в веб і я не зміг порівняти інформацію. Я залишаю це, тому що мені це здається цікавим і достовірним, але поставтеся уважно)

У XNUMX столітті електростатична електрика та її машини стали іграшкою, з якою люди хотіли експериментувати. Люди хотіли відчути удар електричним струмом і такі пристрої, як «електричний поцілунок«, де пару помістили на платформи, щоб їх заряджали статичною електрикою, а при поцілунку стрибала іскра.

електричний поцілунок, салонна гра XNUMX століття для експериментів з електрикою

І як завжди з’явилися шарлатани, які скористалися людьми, які стверджували, що можна вилікувати хвороби електричним струмом. Як вони робили з магнітними властивостями, так і в наш час вони роблять з усіма видами виробів, камінням, відбілювачем та іншим. Людство ніколи не врятувалося від пикаресків і шахраїв.

Лейденська пляшка

Лейденська пляшка

У 1745 році Евальд Юрген фон Клейст (1700-1748) винайшов лейденську пляшку або лейденську банку. Намагаючись знайти спосіб накопичення електричної енергії, йому спало на думку використати пляшку, наповнену водою або ртуттю. Наступного року і незалежно фізик Кунней прийшов до того ж рішення в Лейдені, в Нідерландах. Це назва, яку ми зараз знаємо для винаходу.

Лейденська пляшка є попередником конденсаторів і з його вивчення та інновацій виникли ці елементи. Вивчивши, які речовини краще зберігати енергію всередині пляшки, вони зрозуміли, що якщо залишити пляшку порожньою і додати шар металу всередині та зовні пляшки, електростатична енергія також зберігається.

А це вже а конденсатор поточний. Два металевих листа, розділені діелектриком.

І ось ми прийшли до перша відома жертва та записивід удару електричним струмом (не рахуючи людей, загиблих від удару блискавки, звичайно). Для досягнення більших зарядів вони почали з'єднувати кілька пляшок Лейдена, утворюючи батарею.

Лейденська пляшка акумулятора

І хоча французький абат Нолле показав, що маленькі тварини, такі як птахи та риби, миттєво гинуть від розряду лейденського глечика, ніхто не уявляв, яку небезпеку може спричинити ця нова енергія, з якою вони грали.

6 серпня 1783 року в Санкт-Петербурзі професора Ріхмана і його помічників вразила блискавка від зарядних конденсаторів. З помічником нічого не сталося, але Річман відразу помер. У медичному висновку говорилося:

У нього була лише невелика дірка на лобі, обгорілий лівий черевик і синя пляма на нозі. […] Мозок був у порядку, передня частина легені здорова, а задня частина була коричнева і чорна від крові.

Як побудувати пляшка домашнього Лейдена.

Бенджамін Франклін і громовідвід

Бенджамін Франклін і відкриття громовідводу з повітряним змієм

Можливо, найвідоміша історія про електростатику — це історія Бенджаміна Франкліна та його бурхливих денних комет. Бенджамін Франклін був шанувальником лейденських пляшок.

Він запропонував, що коли був надлишок електрична рідина це буде називатися позитивна електрика а коли був дефіцит, негативна електрика.

Спостерігаючи, як розряджалися лейденські пляшки, він помітив, що, коли вони вичерпалися, вони випускали іскру, дуже схожу на звук, тріск, схожий на грім.

У 1745 році він почав свої досліди з електрикою. Він мав інтуїцію, що блискавка — це електричний заряд, і хотів це довести.

У 1751 році він запустив повітряного змія з металевим наконечником у шторм, його прикріпили до шовкової нитки. В кінці, біля Франкліна, була друга струна з металевим ключем. Він прийшов зберігати енергію від блискавки в лейденських пляшках.

Він швидко знайшов практичне застосування своєму досвіду, громовідвід. Він помітив, що пляшки розряджалися раніше, якщо в них була голка, і оскільки він дійшов висновку, що промені йдуть до будівель і заряджаються, він подумав про те, щоб покласти загострений металевий стрижень і приєднати його до землі, щоб він міг бути звільненим.

У 1752 році він опублікував свої ідеї в Альманах бідного Річарда і це було успішно, оскільки в будівлях встановлювали громовідводи.

Закон Кулона

У 1785 році він виголосив свій знаменитий закон.

Закон Кулона
Від користувача: ДНК-Денніс, CC BY 3.0,

З їхнього досвіду було виведено, що сила, що діє між два електричні заряди в стані спокою (електростатичні), розташовані у вакуумі і чиї розміри малі порівняно з відстанню, що їх розділяє, мають такі характеристики (для вантажів, які є пунктуальними):

  1. Він діє в напрямку лінії, яка з’єднує обидва заряди.
  2. Він привабливий, якщо заряди помітні, і відразливий, якщо вони однакові
  3. Вона пропорційна добутку кількостей вантажів
  4. Вона обернено пропорційна квадрату відстаней, що їх розділяють.

У Міжнародній системі одиниць одиницею електричного заряду є кулон (С), який визначається, починаючи з основної одиниці сили струму I, яка є ампером (А).


Дисковий ротор і стек

У 1800 р. перша дискові генератори. Твоє яВинахідником була Зима, рука замінена на шкіряну подушку, підготовлену ртуттю для тертя, таким чином досягаючи більш безперервного результату.

У той же час про 1799 р. були проведені перші електролітичні досліди донОтримано такий самий або кращий результат, ніж з лейденськими пляшками.

En 1800 Алессандро Вольта представив першу електричну батарею, вольтаєву батарею Це була повна революція, оскільки вона подолала багато проблем електростатики і дозволила генерувати енергію безперервно і за бажанням. Хронологією історії хімічних батарейок я розгляну в іншому нарисі.

Електричний генератор і клітка Фарадея

У 1836 році Фарадей відкрив це явище, завдяки якому електромагнітне поле всередині провідника в рівновазі дорівнює нулю.

Сьогодні це поняття використовується як захист від перенапруги у багатьох радіоприймачах, жорстких дисках, телевізорах, ретрансляторах, а також для захисту електронного обладнання на літаках від обгорання блискавкою.

Раніше у 1831 році він винайшов електрогенератор постійного струму, A динамо. Він виявив, що якщо ми рухаємо замкнутий контур в магнітному полі, утворюється електрорушійна сила.

Машина Вімшерста

Електростатичний генератор машини Вімшерста

Це найдосконаліші електростатичні дискові генератори і вони являють собою вершину цього типу машин, які поступово перетворювалися на наукову цікавість і стали іграшкою для дітей.

Це генератор електричних зарядів за допомогою електростатичної індукції. У цьому розділі генератори цього типу були розроблені Вільгельмом Хольцом (1865 і 1867), Августом Теплером (1865) і Дж. Робертом Фоссом (1880). Але це були менш ефективні машини і з тенденцією сильно змінювати полярність.

Машина Вімшерста вирішила всі ці проблеми. Досягається напруга від 200.000 300.000 до XNUMX XNUMX вольт.

Були отримані дуже хороші результати і їх використовували для живлення рентгенівських трубок.

На блозі Як зробити машину Вімшерста


Індукційна котушка Румкорфа

Індукційна котушка

У 1857 році Генріх Даніель Румкорф винайшов індукційну котушку, різновид трансформатора, що дозволяє посилати високовольтні імпульси від постійного струму низької напруги.

Це відкриття стало тим, що почало відкидати всі електростатичні машини. Це зробило їх застарілими.


Генератор Ван де Граафа

Електростатичний генератор Ван де Граафа
De Затоній Шандор, (ifj.) Fizped - Власна робота, CC BY 3.0,

Беремо таймскіп і йдемо У 1931 році Роберт Ван де Граафф винайшов генератор, що носить його ім'я, щоб генерувати високу напругу близько 20 мільйонів вольт. для прискорення частинок в лабораторії .. У своїй першій моделі він повідомив 1,5 мільйона вольт.

Це генератор постійного струму. Направляє заряди вниз по поясу до порожнистого елемента, зазвичай кулі.

Найвищий потенціал, підтримуваний прискорювачем Ван де Граффа, становить 25.5 МВ, досягнутий Тандемом у «Установці радіоактивних іонних променів Холіфілда» в «Національній лабораторії Ок-Рідж».

В Іккаро Як зробити генератор Ван де Грааф


Електростатичний парогенератор

Я хочу процитувати цей генератор, тому що його робота заснована на іншому принципі, ніж те, що ми бачили досі.

Волога пара, яка продавлюється через сопло, викликає електричний заряд. Це були машини, які були складні в обслуговуванні і дуже дорогі, але в свій час вони давали хороші результати.

Висновок

Електрика досягла великих технічних і теоретичних досягнень з сімнадцятого століття до наших днів. Друга половина XIX століття — інженерний апофеоз із сотнями досягнень і модифікацій.

У цьому тесті ми простежили еволюцію статичної електрики через вироблені електростатичні генератори. Від його відкриття до останніх генераторів.

Як ви, можливо, бачили, хоча я вже згадував про це, я не займався електричними батареями, електролізом чи генерацією постійного та змінного струму, війною струмів чи великою різноманітністю тем, пов’язаних з історією електрики. але це настільки широка тема, що я хотів звузити її, зосередившись на електростатиці, яка, скажімо, є першим етапом з моменту відкриття електрики.

Якщо ви бачите, що я залишив важливий момент в області електростатики або винахідників, інженерів і вчених, які її вивчали, не соромтеся залишити мені коментар.

Фуентес

залишити коментар