electricity Labworks / 1.1-1.4 Электростатика проводников и диэлектриков / Labwork(electricity)1-2

1.ЭЛЕКТРОСТАТИКА ПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ

Лабораторная работа 1.2

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Цель работы - изучение принципов работы электростатических генераторов.

Одним из простейших электрических генераторов постоянного напряжения является электростатический генератор - устройство, в котором высокое постоянное напряжение создается при помощи механического переноса электрических зарядов. Зарядка генератора осуществляется путем перемещения электрических зарядов определенного знака против сил электрического поля и собирания их в накопительном устройстве; обычно в качестве такого устройства используется высоковольтный конденсатор. При этом работа, затраченная на перемещение зарядов, превращается в электрическую энергию.

На рис. 1 схематически изображены основные устройства, входящие в состав электростатического генератора. Изменяя конструкцию этих устройств, можно создавать различные типы электростатических генераторов /З/.

Рис.1. Блок-схема электростатического генератора: 1 - устройство для разделения электрических зарядов и получения зарядов данного знака; 2 - устройство для транспортировки зарядов к накопителю; 3 - накопитель зарядов; 3а - цилиндр Фарадея

Подробную информацию о конструкции электростатических генераторов и их применении можно найти в работе /II/.

Рассмотрим более подробно основные блоки электростатического генератора.

1.Устройство для разделения электрических зарядов

Вероятно, самым древним способом разделения зарядов является трение соприкасающихся тел. Классическими примерами применяемых для этого пар могут служить янтарь-мех, эбонит-сукно и т.д. Необходимо отметить, что электризация трением происходит и при контактном взаимодействии движущихся жидкостей, газов и твердых тел друг с другом в любой комбинации. При трении твердых тел на каждом из них образуется избыток зарядов определенного знака, причем возникающие при этом потенциалы измеряются десятками киловольт. Хорошо известным примером использования электризации трением для создания электростатического генератора является электрофорная машина, с помощью которой достигаются разности потенциалов 30 50 кв.

Разделение зарядов можно осуществить и бесконтактным методом, используя

явление электростатической индукции (см. лабораторную работу 1.3). Можно разделять заряды и с помощью обычного гальванического элемента или выпрямителя.

2.Устройство для транспортировки электрических зарядов к накопителю

Это устройство также может быть реализовано различными способами: так, в роторных генераторах диэлектрические транспортеры заряда выполняются в виде гибкой ленты (генераторы Ван-де-Граафа) либо в виде жесткого цилиндра или диска. В так называемом ладдетроне перенос зарядов осуществляется с помощью транспортера, состоящего из металлических цилиндров или стержней, разделенных изоляторами. Заряды можно переносить даже руками, если только позаботиться об отсутствии утечки заряда с переносимого заряженного тела.

3. Накопительное устройство

В качество накопительного устройства обычно используется высоковольтный конденсатор. В электрофорной машине он выполнен в виде обычного цилиндрического конденсатора; в генераторе. Ван-де-Граафа - в виде гладкой металлической сферы, помещенной в газ, имеющий высокую электрическую прочность. Для облегчения переноса заряда в накопительное устройство оно выполняется в виде цилиндра Фарадея /I/ или дополняется им. В генераторе Ван-де-Граафа роль цилиндра Фарадея играет сама сфера, на которой накапливается заряд: заряды транспортируются внутрь сферы, где напряженность поля близка к нулю, и помещаются на внутреннюю поверхность сфера.

Задания

1. Для разделения зарядов используйте явление электростатической индукции.

Установите на измерительном электроде электростатического вольтметра цилиндр Фарадея, Который можно изготовить из высокой консервной банки. Используя небольшие пластины на изолирующих ручках так, как рекомендовано в лабораторной работе 1.3, переносите заряды определенного знака на внутреннюю поверхность цилиндра Фарадея и наблюдайте возрастание напряжения, показываемого вольтметром. Повторите опыт, прикасаясь каждый газ к наружной поверхности цилиндра Фарадея. Объясните разницу в полученных результатах.

2.В качестве устройства для разделения зарядов используйте выпрямитель или электрическую батарею с эдс 80 100 В. Один полюс батареи подсоедините к металлической пластине и расположите ее так, чтобы емкость между этой пластиной и шариком на изолирующей ручке, прикасающимся к другому полюсу батареи, была как можно большем. Заряжайте металлический парик, прикасаясь ко второму полюсу батареи. Перенесите затем заряд 6 шарика на внутреннюю поверхность цилиндра Фарадея и наблюдайте возрастание показаний вольтметра. Добейтесь того, чтобы напряжение достигло ~ 500В. Повторите опыт, прикасаясь заряженным шариком каждый раз к наружной поверхности цилиндра Фарадея. Какого максимального напряжения удалось добиться, действуя таким образом?

3.При протекании воды через пористую перегородку из диэлектрика (рис.2) на сетчатых металлических электродах, в которые заключена перегородка, появляется эдс (см. лабораторную работу 2.5).Запишите на самописец зависимость потенциала, снимаемого с этих электродов, от времени с момента начала вытекания воды. Объясните основные особенности полученной зависимости потенциала от времени:

начальный участок кривой, соответствующий прохождению уровня воды через перегородку; ход кривой после слива вода.

Рис.2. Электрокинетический водяной генератор: 1 - стеклянная емкость; 2 – вода; 3 - пористая пробка из диэлектрика; 4 - сетчатые металлические электроды; 5 -усилитель; 6 - самописец

Перед выполнением работы ознакомьтесь с указаниями и рекомендациями, помещенными в лабораторной работе 1.3,

Контрольные вопросы

1. Объясните назначение цилиндра Фарадея в электростатическом генераторе.

2.Предложите физическую модель, объясняющую электризацию трением. Не забывайте при этом, что, по мнению Р.Фейнмана, "еще не где мы не объяснили, почему, когда мы натираем кусок янтаря, на нем возникает заряд,.." /Г.5/. Это обстоятельство должно вдохновлять Вас, а не расхолаживать.

3.Перечислите известные Вам типы электростатического генератора и постарайтесь придумать новый.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988

Физический факультет НГУ,1999

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/