Новые типы электростатических генераторов
Ф. Ф. Менде
Аннотация
Одним из первых электростатических генераторов является капельница Кельвина, которую изобрёл лорд Кельвин в 1863 г. Такой генератор давал возможность получить напряжение до 20 кВ. Дальнейшим развитием электростатических генераторов было изобретение электрического генератора, разработанного между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом. Такой генератор давал возможность получить напряжение до 100 кВ и выше. Широкое практическое использование в ускорительной технике получил генератор Ва де Граафа. Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Такой генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать напряжение до 80 кВ. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 МВ и 7 МВ соответственно. В статье описаны три новые конструкции электростатических генераторов, один из которых является импульсным.
Ключевые слова: электростатическая индукция, поляризация, капельница Кельвина, электрическая машина, генератор Ван де Граафа.
1. Введение
Одним из первых электростатических генераторов является капельница Кельвина, которую изобрёл лорд Кельвин в 1863 г. [1]. Такой генератор давал возможность получить напряжение до 20 кВ.
Рис. 1. Капельница Кельвина
Дальнейшим развитием электростатических генераторов было изобретение электрического генератора, разработанного между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом [2]. Такой генератор давал возможность получить напряжение 100 кВ и выше.
Рис. 2. Электрический генератор, изобретённый Джеймсом Уимсхёрстом
Широкое практическое использование в ускорительной технике получил генератор Ва де Граафа [3].
Рис.3. Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускорителя.
Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать напряжение до 80 кВ. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 МВ и 7 МВ соответственно.
На этом история разработки новых видов электростатических генераторов заканчивается и в научной литературе не описаны другие типы таких генераторов.
.
2. Новые конструкции электростатических генераторов
Схема генератора, предназначенного для получения высоких напряжений, представлена на рис. 4.
Рис. 4. Электростатический генератор с принудительной поляризацией
В этой схеме осуществляется принудительная поляризация воды в верхней ёмкости. Поляризация осуществляется при помощи внешнего источника, напряжение которого приложено к электродам, расположенным на торцах ёмкости. При этом струя воды, вытекающая из боковых отверстий, несёт на себе заряды, которые и попадает в нижние ёмкости.
Схема импульсного электростатического генератора представлена на Рис. 5.
Рис. 5. Импульсный электростатический генератор
По сравнению с генератором с принудительной поляризацией данный генератор имеет два дополнительных кольцевых электрода, расположенные ниже ёмкости с водой. Заряженная капля, пролетая через эти электроды, индуцирует в них заряды обратного знака. Эти заряды, протекая через нагрузочные сопротивления, и создают на них соответствующее импульсное напряжение. Форма этого напряжения зависит от соотношения высоты электродов и диаметра капли. Если эти размеры соизмеримы, то будет наблюдаться двуполярный импульс. Если же диаметр капли значительно меньше, чем высота электродов, то будет наблюдаться два коротких импульса разной полярности, разнесённые по времени на время пролёта капли через электрод.
Для исследования новых типов генераторов был собран многофункциональный макет капельницы, на котором возможно осуществление различных режимов. В зависимости от коммутации различных её элементов может быть собран макет, как макет капельницы Кельвина, так и другие модификации генераторов. Блок-схема многофункциональной капельницы показана на Рис. 6.
Рис. 6. Блок-схема многофункциональной капельницы
Был также изготовлен электрический генератор для получения высоких напряжений.
Общий вид макета капельницы и электрического генератора показан на Рис. 7.
Рис. 7. Общий вид многофункциональной капельницы и электрического генератора
Максимальное напряжение, которое мог обеспечить генератор, составляет около 50 кВ.
Макет многофункциональной капельницы состоит из двух отдельных капельниц, каждая из которых имеет по две пары электродов, к которым может быть подключен электрический генератор. Один из таких режимов представлен на Рис. 4. В этом режиме на боковые электроды верхней ёмкости подаётся напряжение от электрического генератора. Электрическое поле этих электродов поляризует воду в ёмкости. Проведенные эксперименты показали, что такой режим мало чем отличается от режима капельницы Кельвина.
Далее были проведены эксперименты по схеме, представленной на Рис. 8
Рис. 8.
В этом случае напряжение от электрического генератора подключается к двум промежуточным электродам, расположенным между верхней и нижней ёмкостью, в том месте, где струя воды уже превратилась в капли. Как видно из Рис. 7, верхняя ёмкость установлена на двух пластмассовых стойках и надёжно изолирована от платформы, на которой смонтирована капельница. В процессе проведения эксперимента выяснилось, что потенциал верхней ёмкости остаётся неизменным и не меняется за весь промежуток времени, пока верхняя ёмкость не освободиться от воды. В то же время потенциал нижней ёмкости, растёт, достигая 20 кВ, и имеет прямую зависимость от напряжения, подаваемого от электрического генератора на соответствующие электроды. Из этого можно заключить, что заряды, попадающие в нижнюю ёмкость, поступают не из верхней ёмкости, а захватываются поляризованными каплями воды во время их пролёта между электродами. Это подтверждается тем фактом, что процесс электризации нижней ёмкости значительно увеличивается, когда в непосредственной близости от электродов находится электрический генератор. Такой генератор является мощным ионизатором атмосферы. Мощность экспозиционной дозы гамма – излучения нормального радиационного фона составляет порядка 0.010 -0.020 мР/ч. Вот эти показания радиометра.
Если же радиометр разместить непосредственно на работающем электрическом генераторе, как показано на следующей фотографии, то счётчик показывает дозу радиации более, чем сто раз большую нормы. Это такой же радиационный фон, который наблюдался в чернобыльской зоне через месяц после взрыва реактора.
Таким образом, проведенный эксперименты указывают на тот факт, что поляризованные капли воды могут захватывать ионы из атмосферы, которые образовались в результате воздействия внешнего радиационного фона.
Заключение
Одним из первых электростатических генераторов является капельница Кельвина, которую изобрёл лорд Кельвин в 1863 г. Такой генератор давал возможность получить напряжение до 20 кВ. Дальнейшим развитием электростатических генераторов было изобретение электрического генератора, разработаного между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом. Такой генератор давал возможность получить напряжение до 100 кВ и выше.
Широкое практическое использование в ускорительной технике получил генератор Ва де Граафа. Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый такой генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать разность потенциалов до 80 кВ. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 МВ и 7 МВ соответственно.
Оба рассмотренных генератора обеспечивают возможность получения высоких значений напряжений при малых токах, поэтому как генераторы мощности они использованы быть не могут и по этой причине практического применения не имели.
На этом история разработки новых видов электростатических генераторов заканчивается и в научной литературе не описаны другие типы таких генераторов.
В статье рассмотрены три новые конструкции электростатических генераторов, одна из которых является импульсным.
Литература
1.
https://ru.qwe.wiki/wiki/Kelvin_water_dropper.
2. И. А. Лебедев. Электрическая машина // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
3. Darryl J. Leiter. Van de Graaff, Robert Jemison // A to Z of Physicists. — 2003. — С. 312.
