Лекция 5 электростатические генераторы

Электростатические генераторы (ЭСГ) – самые древние источники электрического напряжения. Принцип действия ЭСГ заключается в накоплении электрического заряда на поверхности полого металлического тела (кондуктора) при генерации зарядов внутри кондуктора или их транспортировке внутрь кондуктора. Накопления зарядов на поверхности изолированного металлического тела следует из теоремы Гаусса: объемная плотность электрических зарядов внутри однородного проводника равна нулю. Кулоновские силы взаимного отталкивания зарядов одного знака приводят к тому, что заряды, а именно электроны, образующие в проводнике свободно перемещающийся электронный газ, вымещаются на поверхность проводника. Если на такой изолированный проводник (кондуктор), имеющий относительно земли емкость С, транспортируются заряды и накапливаются на нем, то напряжение на нем относительно земли будет расти пропорционально его заряду:

Рассмотрим принцип работы ЭСГ, у которого транспортером зарядов служит замкнутая диэлектрическая лента. Свойством диэлектриков является их способность накопления на поверхности локальных зарядов с плотностью, при которой напряжение достигает величины пробоя по поверхности. Накопленный на поверхности диэлектрика заряд можно механически транспортировать и снимать на кондуктор.

Для нанесения зарядов на транспортер-диэлектрик используются коронирующие устройства, которые питаются от зарядного устройства – источника высокого постоянного напряжения. Коронирующие устройства состоят из ионизатора и индуктора, располагаемых по разные стороны ленты диэлектрика. К ним приложено напряжение возбуждения U₁ (рис. 5.1). В разрядном устройстве индуктор и ионизатор электрически соединены накоротко.

Рис. 5.1. Принцип действия электростатического генератора.

Расстояние между зарядным и разрядным устройствами определяется расчетной величиной выходного напряжения U₂ из условия недопущения перекрытия по поверхности. Напряжение возбуждения на зарядном устройстве вызывает ионизацию газа вследствие высокой напряженности поля на остриях ионизатора. Положительные ионы двигаются в направлении индуктора и оседают на поверхности транспортера. Транспортер заряжается только с одной стороны. Рабочей средой в ЭСГ является газ под атмосферным или повышенным давлением. Поэтому поверхностная плотность заряда на транспортере определяется:

где - нормальная к поверхности транспортера составляющая вектора напряженности электростатического поля; - остаточное поле вблизи ионизатора за счет конечной проводимости ионизированного газа; - диэлектрическая проницаемость газа. Ток генератора можно определить:

где - ширина транспортера; v – скорость его перемещения.

На разрядном устройстве протекает обратный процесс: напряженность поля, создаваемая зарядами на транспортере вызывает ионизацию газа в промежутке между транспортером и ионизатором, начинает протекать ток, нейтрализующий положительные заряды. Схематическое устройство ЭСГ, в котором в качестве кондуктора используется полый металлический шар, приведено на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема электростатического генератора с лентой.

На двух шкивах 1 и 2 натянута бесконечная лента 3 из изолирующего материала, которая приводится в движение вращением нижнего шкива. Зарядное устройство 4 располагается у нижнего заземленного шкива, являющегося индуктором. Верхний шкив выполняет роль индуктора разрядного устройства. Ионизаторы выполнены в виде металлических гребенок. Лента переносит заряды на электрод 5 (кондуктор), который расположен над верхним шкивом и поддерживается изолирующей колонной. С кондуктором соединен ионизатор разрядного устройства 6. Подводя непрерывно заряды к внутренней поверхности шарового электрода, можно зарядить его до сверхвысокого напряжения. Плотность зарядов на ленте определяется диэлектрической проницаемостью изолирующей среды, окружающей ленту и величиной вектора напряженности Е_n . Чтобы повысить плотность зарядов на ленте, применяют среды с высокой электрической прочностью, в основном газы под давлением до 30 атмосфер. Для ЭСГ, работающих при атмосферном давлении рабочие параметры не превышают =2,7х10^-9 К/см², Е_n =3х10⁴ В/см, I = 200 мкА. В сжатых газах за счет увеличения напряженности удается повысить ток максимум в 4 раза при тех же конструктивных параметрах. В пределах достигнуты напряжения ЭСГ до 6 МВ. Полезная мощность таких генераторов, даже на самые большие напряжения, не превышала 1 кВт. ЭСГ вплоть до 60 годов 20 века служили источниками сверхвысоких напряжений в ядерных исследованиях, имея большое число модификаций. Их сравнительная простота обеспечивала их широкое использование в исследованиях и испытаниях в области высоковольтной техники. Появление высоковольтных полупроводниковых устройств привело к использованию в этих отраслях главным образом каскадных умножителей постоянного напряжения, мощность которых на порядок выше.