Электроформный генератор Менде
Ф. Ф. Менде
Аннотация
Проведен обзор существующих конструкций высоковольтных электростатических генераторов. Предложен ранее неизвестный способы разделения и накопления зарядов. Приведена схемы электроформного генератора, использующая указанный принцип. Изготовлен и испытан макеты электроформного генератора нового типа и представлены результаты его экспериментального исследования.
Ключевые слова. электрическая индукция, капельница Кельвина, генератор Ван де Граафа, электроформный генератор Wimshurst, электростатические генераторы Менде.
1. Высоковольтные электростатические генераторы
На сегодняшний день известно четыре основных вида электростатических генераторов, используемых для получения высоких напряжений. Это капельница Кельвина [1], генератор Ван де Граафа [2], электроформный генератор Wimshurst [3] и электростатический генератор Менде [4].
Наиболее простым электростатическим генератором является капельница Кельвина, её схема представлена на Рис. 1.
Рис. 1. Схема капельницы Кельвина
Из верхнего сосуда, заполненного водой, капли воды падают вниз через два отверстия. Затем они пролетают через индукторы и попадают в нижние банки, в которых и накапливаются заряды. Изначально вся установка имеет нейтральный заряд. Ввиду симметричности установки неизвестно, на какой из банок будет накапливаться положительный или отрицательный заряд. Из-за различных внешних воздействий между левой и правой частью установки всегда присутствует небольшая разность потенциалов, благодаря этому установка не требует никакой стартовой зарядки банок для запуска системы. В силу электростатической индукции металлические индукторы наводят в резервуаре с водой в том месте, под которым они расположены, противоположные заряды. В результате количество зарядов на противоположных краях верхнего сосуда становится разными. Упав, капли попадают в банки, соответствующие своему заряду, тем самым увеличивая их заряд, что создаёт ещё большее электрическое поле около тндукторов, усиливая сепарацию статического заряда, и разность потенциалов между банками растёт.
Электрическая схема генератора Ван де Граафа представлена на Рис. 2.
Рис 2. Электрическая схема генератора Ван де Граафа
Генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты 4, вращающейся на роликах 5 и 3, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Одна из частей ленты при вращении роликов заходит в металлическую сферу 2. Два электрода 1 и 6 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 1 соединён с внутренней поверхностью сферы 2. Через щетку 6 воздух ионизируется от источника высокого напряжения 7. Образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому ролику и оседают на ленте. Движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы, где он снимается щёткой, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом, на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения в таком генераторе ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.
В электроформной машине, разработанной немецким учёным Wimshurst имеется два вращающихся в противоположном направлении диска, выполненных из хорошего изолятора (Рис. 3). На рисунке изображена схема электроформной машины в анфас и сбоку.
Рис. 3. Конструкция электроформного генератора Wimshurst
На диски наклеены проводящие пластинки, которые с пластинками противоположного диска образуют конденсаторы. В процессе вращения дисков ёмкость этих конденсаторов изменяется, т.к. изменяется площадь перекрытия их пластин. В процессе вращения дисков по проводящим пластинам скользят щётки, которые соединяют противоположно размещённые пластины на обоих дисках. По обе стороны дисков имеются две пары игольчатых электродов, расположенных на соответствующих держателях. Эти электроды при вращении дисков не касаются проводящих пластин, а заряды на этих электродах образуются при электрическом пробое между контактами и проводящими пластинами. На указанных электродах собираются заряды противоположных знаков, при помощи которых заряжаются высоковольтные конденсаторы (их ранее называли лейденскими банками). На лейденских банках расположены держатели шаровидного разрядника, пробой которого происходит при достижении определённой разности потенциала между шарами разрядника.
В электростатическом генераторе Менде для сепарации зарядов используется эффект Холла, В простейшем рассмотрении эффект Холла представлен на Рис. 4. Через проводящую пластину в нормальном направлении проходит магнитное поле с индукцией и через эту же пластину течёт электрический ток с плотностью под действием напряжённости электрического поля . Магнитное поле будет отклонять носители заряда разных знаков к одной из граней пластины.
Рис. 4. Схема эффекта Холла
Сила Лоренца приводит к накоплению отрицательного заряда возле одной грани пластины, и положительного - возле противоположной грани. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле не скомпенсирует силу Лоренца:
Эффект Холла может быть использован не только для измерения магнитного поля, но и для сепарации зарядов в текущей жидкости, например воде. В воде всегда имеются ионы растворённых в ней солей, имеющие разные знаки, и их можно разделять при помощи эффекта Холла. Если вода будет двигаться нормально к направлению магнитного поля, то ионы разных знаков будут скапливаться по разные стороны потока. Разделяя далее поток на две части, можно получить два отдельных потока, в которых будут сосредоточены ионы разных знаков. Схема магнитного разделения зарядов представлена на Рис. 5.
Рис. 5. Схема разделения зарядов магнитным способом
Собирая разделённые потоки в разные ёмкости, как это делается в капельнице Кельвина, можно создать электростатический генератор (Рис. 6)
Рис. 6. Схема электростатического генератора с магнитной сепарацией зарядов
2. Электроформный генератор Менде
На Рис. 7 представлена ранее не известная схема переноса и накопления зарядов.
Рис. 7. Схема переноса и накопления заряда
Имеются три обкладки плоского конденсатора A, B и C, нижняя и верхняя из которых могут двигаться в направлении, указанном стрелками, в то время как средняя обкладка А остаётся неподвижной.
В позиции 1 пластина В посредством скользящего по ней контакта соединена с землёй. Пластина С также посредством скользящего контакта, движущегося вместе с ней, соединена с пластиной А. На пластинах имеются обозначения, указывающие на текущее значения зарядов на них в произвольных единицах с указанием знака заряда. Первоначальная величина зарядов может быть и другой и зависит от начальных условий.
Предположим, что в исходном положении пластина А несёт на себе заряд +5е, и пластины В и С начинают синхронно двигаться в направлении, указанном стрелками. При этом пластина В теряет контакт с землёй, и на ней сохраняется заряд – 5е.
В позиции 2 пластина В сохраняет заряд -5е, а пластина С приобретает контакт с землёй и на ней индуцируется заряд +5е. После этого пластины В и С продолжают двигаться в том же направлении.
В позиции 3 пластины С и А соединяются при помощи скользящего контакта, двигающего вместе с пластиной С, а пластина В подключается к земле. При этом заряд +5е из пластины С перетекает в пластину А и её заряд становится равным +10 е, а заряд пластины С становится равным нулю. При этом пластина А, получившая дополнительный заряд +5е, индуцирует в пластине В заряд -10е, т.е. по сравнению с позицией 1 заряды пластин А и В удваиваются.
Видно, что позиция 3 по расположению пластин и их соединению ничем не отличается от позиции 1, с той лишь разницей, что величина заряда пластин А и В по сравнению с этой позицией удвоилась, а заряд пластины С остался равен нулю. При следующем таком же цикле заряды на пластинах А и В ещё раз удвоятся и станут соответственно равными +20е и -20 е и удвоение зарядов при каждом последующем цикле будет продолжаться. При таком процессе пластины будут накапливать всё возрастающий заряд, что приведёт к росту их потенциалов.
Автоматизация переноса и накопления заряда таким способом может быть осуществлена, если обкладки конденсаторов поместить на диски. Кинематическая схема автоматизированного переноса заряда представлена на Рис. 8.
Рис. 8. Кинематическая схема автоматизированного переноса заряда
Конструктивно генератор выполнен в виде трех дисков, к которым приклеены токопроводящие пластины конденсаторов. Два внешних диска B и C плотно посажены на ось, что обеспечивает их синхронное вращение. Статор представляет собой неподвижный центральный диск А, который также установлен на оси, но диаметр его отверстия больше её диаметра, что обеспечивает его скользящую посадку. Фиксация положения статора осуществляется с помощью уголка, который с одной стороны крепится к диску, а с другой - к платформе, на которой установлен генератор. На экспериментальном макете рассмотренного генератора при диаметре крайних дисков и среднего диска 250мм и 300 мм соответственно получена разность потенциала 30 кВ.
Кинематическое отличие рассмотренного генератора от генератора Wimshurst состоит в том, что боковые диски вращаются в одном направлении, а центральный диск не вращается, являясь статором, в то время как в генераторе Wimshurst боковые диски вращаются в разных направлениях и нет неподвижного центрального диска. Поскольку в рассмотренном генераторе статор неподвижен и на нём возникает высокое напряжение относительно земли, это напряжение может быть непосредственно снято с статора, и игольчатые электроды, как в случае генератора Wimshurst, не нужны. Поскольку боковые диски вращаются в одном направлении, то на одной оси можно разместить несколько секций одинаковых генераторов, соединив их статоры параллельно, как показано на рис. 9. Это позволяет увеличить генерируемый ток.
Рис. 9. Секционный электроформный генератор
Общий вид электроформного генератора показан на следующих фотографиях:
3. Заключение
Проведен обзор существующих конструкций высоковольтных электростатических генераторов. Предложен ранее неизвестный способы разделения и накопления зарядов. Предсталена схемы электроформного генератора, использующая указанный принцип. Изготовлен и испытан макеты электроформного генератора нового типа и представлены результаты его экспериментального исследования.
Литература
1. Калашников С. Г., Электричество, М., ГИТТЛ, 1956.
2. Darryl J. Leiter. Van de Graaff, Robert Jemison // A to Z of Physicists. — 2003. — С. 312.
3.
http://hypertextbook.com/facts/2005/kelvin.shtml.
4. Mende F. F. The Electrostatic Generator of Mende. Global Journal of Science Frontier
Research: A Physics and Space Science Volume 20 Issue 10 Version 1.0 Year 2020.
