Что тока электростатический генератор

Рис. 1. Диаграмма цикла работы электростатического генератора.

Существует много типов Э. г., отличающихся способом транспортировки зарядов: Э. г. с жёсткими роторами в виде цилиндров или дисков; Э. г. с гибкими лентами (генератор Ван-де-Граафа); Э. г. с пылевым или жидкостным транспортёром и др. В работе Э. г. существ. значение имеют электроизолирующие свойства среды. Первые конструкции Э. г. (30-е гг.) работали в открытом воздухе при обычном атм. давлении. Для уменьшения габаритов большинство совр. Э. г. работает в сжатом газе.

У Э. г. с диэлектрич. транспортёром нанесение и съём зарядов производятся непрерывно системой коронирую-щих острий или щёток (рис. 2). Переносимый транспортёром ток равен i =sbu, где s -поверхностная плотность зарядов; b — ширина транспортёра; u — его линейная скорость.

Если у высоковольтного электрода на транспортёр наносятся заряды обратной полярности, то переносимый ток увеличивается в 2 раза. Плотность зарядов s ограничивается возникновением поверхностных разрядов и обычно составляет (3-4)·10 -9 Кл/см 2 , при этом переносимый ток i не превышает 1 мА.

Рис. 2. Схема генератора Ван-де-Граафа с диэлектрическим транспортёром зарядов: 1 — транспортёр; 2 -устройства для нанесения и съёма зарядов; 3- валы транспортёра; 4 — высоковольтный электрод.

У транспортёра с проводящими зарядоносителями заряды наносятся на их поверхность в поле индуктора (рис. 3) и передаются высоковольтному электроду дискретными порциями. Переносимый транспортёром ток равен i = qN, где q — заряд токоносителей; N- число зарядоносителей, касающихся высоковольтного электрода за 1 с. Пульсации напряжения генератора, вызываемые дискретным переносом зарядов, весьма малы. Транспортёр из цилиндров (пеллетрон) передаёт ток ок. 0,1 мА, транспортёр из стержней (ладдетрон) — 0,5 мА (при скорости перемещения носителей ок. 10 м/с). Возможно параллельное включение неск. транспортёров.

Рис. 3. Устройство транспортёра с проводящими за рядоносителями: 1 — шкив транспортёра: 2 -зарядо носители; 3 — изоляторы; 4 — индуктор.

Транспортёры с проводящими зарядоносителями более надёжны по сравнению с диэлектрическими, могут работать в чистых электроотрицат. газах и не загрязняют изолирующий газ пылью. В качестве газовой изоляции используют азот, углекислоту или их смеси, для увеличения эяектрич. прочности изоляции применяют также эле-газ SF 6 , фреон или их смесь с азотом и углекислотой.

Напряжение на выходе Э. г. пропорционально сопротивлению его нагрузки и току транспортёра (рис. 4). Регулировать и стабилизировать его можно, изменяя ток в цепи нагрузки (напр., при помощи коронирующего электрода; рис. 5) или плотность наносимых на транспортёр зарядов. В первом случае постоянная времени регулятора составляет неск. мс, во втором — десятые доли секунды. Диапазон напряжений, развиваемых Э. г., в зависимости от типа составляет от неск. десятков кВ до 10 мВ и более. Э. г. используются как непосредственно в виде источников высокого напряжения, когда не требуются значит. мощности, так и в сочетании с ускорит. трубками в электростатич. ускорителях заряж. частиц (ускорители прямого действия, инжекторы, предускорители для циклич. и линейных ускорителей и т. д.).

Рис. 4. Зависимость напряжения электростатического генератора от сопротивления нагрузки и тока, перено симого его транспортёром.

Рис. 5. Схема регулирования электростатического ге нератора с коронирующим электродом: 1— корони рующие острия; 2 — изолятор; 3- регулирующий триод; 4- высоковольтный электрод генератора; 5 — сосуд вы сокого давления.

Лит.: Гохберг Б. M., Яньков Г. Б., Электростатические З’скорители заряженных частиц, M., 1960; Электростатические ускорители заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, M., 1963.

Б. M. Гохберг, M. П. Свиньин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Основным фактором, определяющим развитие материальной культуры людей, является создание и использование источников энергии. Сейчас в качестве основных энергетических ресурсов используются торф, уголь, нефть, природный газ. Установлено, что запасенная в них химическая энергия была накоплена в продолжение тысячелетий благодаря биологическим процессам. Статистические данные по использованию этих ресурсов показывают, что в ближайшие столетия они будут исчерпаны. Поэтому, на основе закона сохранения энергии, люди, если они не найдут других источников энергии, будут поставлены перед необходимостью ограничения ее потребления, и это приведет к снижению уровня материального благосостояния человечества [1].

Использование традиционных источников энергии грозит человечеству не только глобальным энергетическим кризисом, но и, что гораздо актуальнее, глобальной экологической катастрофой. В течении XX века научный мир и человечество связывали свои надежды с ядерной энергетикой. Причём изначально ядерную энергетику декларировали как абсолютно экологически чистую. Ряд катастроф на АЭС, а так же проблема утилизации ядерных отходов показали, что ядерная энергетика, с точки зрения экологической чистоты, не оправдала возлагаемых на неё надежд.

В настоящее время в ряде экономически развитых стран ведутся работы по созданию термоядерных энергоустановок с непрерывным циклом работы. Причём говорится, что уж на этот раз технология точно будет экологически чистой. Хотелось бы верить. В связи с указанными проблемами становится всё более необходимым использование нетрадиционных источников энергии – в первую очередь солнечной, ветровой и геотермальной энергии. С давних времен человечество использует эти, ныне не традиционные, источники энергии.

Солнце – гигантское светило, имеющий диаметр 1392 тыс. км, естественный термоядерный реактор. Мощность потока солнечного излучения составляет 4^1023 кВт. Верхней границы атмосферы за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6^1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35% этой энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности (около 2,4^1024 Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3^1024 Дж) и образованию волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра (около 1,2^1024 Дж).

Сосредоточим своё внимание на энергии ветра. В России к началу XX века вращалось около 2500 ветряков общей мощностью миллион киловатт. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на территории бывшего СССР оцениваются в 8^1012 кВт*ч/год, а технически реализуемая мощность — 2^1010 кВт. Ещё в 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка (ВЭУ) 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5 МВт. За рубежом, например, в США, ФРГ, Швеции, Дании и др., эксплуатируется большое количество больших и малых ВЭУ. В США, ещё в 1986 г., суммарная мощность 30 тыс. ВЭУ составляла 1500 МВт, в том числе 7 ВЭУ имели мощность 25-72 МВт, а себестоимость электроэнергии от ВЭУ составляла 0,03-0,06 долл/(кВт?ч) [2].

Сегодня на Украине суммарная мощность ВЭУ приближается к 40 МВт. Украина является единственной страной из бывшего СССР, в которой активно развивается ветроэнергетика. Налажено серийное производство лицензионных ВЭУ USW56-100 мощностью 107,8 кВт. К сожалению, ВЭУ USW56-100 разработана в 80-х годах и не позволяет получить коэффициент использования мощности для ветроэлектростанции (ВЭС) выше 0,15 (типичное значение для современных западных ВЭУ от 0,25 до 0,35). Авторы статьи “Ветроэнергетика Украины. Факты и комментарии” [3] видят решение проблемы в следующих подходах к развитию ветроэнергетики в Украине — в приобретении лицензий на производство более мощных ВЭУ, в импорте БУшных западных ВЭУ по остаточной стоимости и, что наиболее интересно, в конструировании ВЭУ украинской конструкции.

От себя могу добавить ещё один подход — в создании нетрадиционных конструкций генераторов, позволяющих преобразовывать энергию перемещения среды в электрическую энергию. До сих пор в ветроэнергетике доминируют те же способы использования энергии ветра, что и сотни лет назад в ветряных мельницах — напор ветра, при помощи ветроколеса с лопастями, преобразуется в крутящий момент, который, через систему передач, передаётся валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем выше мощность ветроагрегата, тем больше диаметр ветроколеса, но, так как на разной высоте скорость ветра различается по величине и направлению, то в этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей. Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая — мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии[4].

Существует класс генераторов, которые позволяют непосредственно преобразовать энергию перемещения среды в электрическую энергию — это электростатические генераторы. Одним из первых электростатических генераторов была электрофорная машина, так хорошо знакомая нам ещё со школьных уроков физики. Электростатические генераторы просты по конструкции и могут сразу давать высокое напряжения для линий электропередач. Ещё в 40-х годах академик А.Ф. Иоффе занимался разработкой оригинального электростатического генератора, который питал небольшую рентгеновскую установку. Этот генератор был прост по своей конструкции и неплохо работал. Тогда у Иоффе возникла идея заменить в широком масштабе электромагнитные генераторы на электростатические и перевести на них всю большую электроэнергетику страны [1]. Но идея так и осталась не воплощённой. Основными причинами, препятствующими промышленному применению электростатических генераторов, возможно, являются низкая плотность энергии, ограниченная электрической прочностью окружающей среды и высокое внутреннее сопротивление и неполное использование заряда, который частично уносится транспортирующей средой, что приводит к снижению КПД электростатического генератора и ионизации окружающей среды.

В электростатическом генераторе постоянное напряжение создаётся при помощи механического перемещения электрических зарядов определённого знака против сил электрического поля и собирания их в накопительном устройстве. Обычно в качестве накопительного устройства используется конденсатор. При этом работа, затраченная на перенос зарядов, превращается в электрическую энергию.

На рис.1 изображен электрогазо(гидро)динамический преобразователь энергии [5] (далее по тексту просто преобразователь энергии), который, по существу, является электростатическим генератором и способен преобразовывать энергию движения среды в электрическую энергию. Рассмотрим устройство и работу этого преобразователя энергии:

Внутри канала 1, с диэлектрическими стенками 2, размещена ступень преобразования. Самым древним способом разделения зарядов является электризация трением, при контактном взаимодействии движущихся твёрдых, жидких или газообразных тел. Такая электризация, например, происходит в электрофорной машине или при трении капелек дождя о воздух. В рассматриваемом преобразователе энергии среда ионизируется в зазоре между вытягивающим 3 и эмиттерным 4 электродами. Эмиттерный электрод имеет заострённую зарядообразовательную часть 5, вокруг которой электрическое поле имеет величину достаточную для ионизации среды. Разность потенциалов между вытягивающим и эмиттерным электродами создаётся при помощи источника высокого (ионизирующего) напряжения ИИН 6. Вытягивающий электрод, ИИН и сопротивление нагрузки Rн 8 подключены к потенциалу земли, при помощи заземления 7. Движущаяся среда, ионизированная в зазоре между вытягивающим и эмиттерным электродами, создаёт в канале объёмный заряд, потенциал которого снимается коллекторным электродом 9. Между вытягивающим и коллекторным электродами возникает электрическое поле, препятствующее движению ионизированной среды. Но так как ионизированная среда движется против сил поля, то это способствует дальнейшему увеличению электрического потенциала на коллекторном электроде. Через сопротивление Rн, включенное между коллекторным электродом и землёй, протекает выходной электрический ток преобразователя энергии. Юта-Компани – Строительные технологии

Недостатком описанного преобразователя энергии является то, что коллекторный электрод слабо связан с объёмным зарядом в канале преобразователя и поэтому часть заряда не используется, пролетая со средой через коллекторный электрод. Потеря заряда приводит к снижению КПД преобразователя энергии, а так же, если преобразуется энергия ветра, к недопустимой ионизации окружающей среды.

На рис. 2 изображён первый вариант электрогазогидродинамического генератора (ЭГГДГ) [6]. Генератор так же имеет канал 1 с диэлектрическими стенками 2, вытягивающий электрод 3, эмиттерный электрод 4 с заострённой зарядообразовательной частью 5, ИИН 6, включенный между вытягивающим и эмиттерным электродами. В отличие от преобразователя энергии [5] нагрузка Rн 8 генератора включена между потенциалом земли 7 и вытягивающим электродом, который от земли изолирован. Благодаря такому включению исключается потеря заряда, т.к. в качестве коллекторного электрода теперь используется земля.

Однако и этот генератор, преобразуя энергию ветра, будет недопустимо ионизировать окружающую среду. Выход может быть в том, чтобы заставить генератор вырабатывать переменное напряжение. В этом случае, в отдельные моменты времени, среда будет ионизироваться в противоположной полярности и разнополярные ионы рекомбинируются. Заставить генератор вырабатывать переменное напряжение можно, управляя величиной и полярностью напряжения формируемого ИИН. Но в этом случая, в различные фазы формирования переменного напряжения, на входе и выходе канала генератора будет изменяться перепад давления, что приведёт к нежелательным акустическим эффектам. Выход может быть в одновременном использовании нескольких генераторов, формирующих многофазное (например трёхфазное) напряжение, каналы которых подключены к общим впускным и выпускным коллекторам.

На рис. 3 изображён второй вариант электрогазогидродинамического генератора (ЭГГДГ) [6]. Во втором варианте генератора используются два генератора первого варианта, каждый из которых имеет канал 1 и 9 с диэлектрическими стенками 2, вытягивающий электрод 3 и 10, эмиттерный электрод 4 и 11 с заострённой зарядообразовательной частью 5 и 12, ИИН 6 и 13, включенный между вытягивающим и эмиттерным электродами. Генераторы первого варианта работают на общий выпускной коллектор 14 и ионизируют среду в противоположной полярности. Благодаря этой особенности генератор второго варианта может вырабатывать как переменное, так и постоянное напряжение, не ионизируя окружающую среду. Нагрузка генератора Rн подключается между вытягивающими электродами 3 и 10 разнополярных генераторов первого варианта.

На рис. 4 изображён третий вариант электрогазогидродинамического генератора (ЭГГДГ) [6], который имеет плоскую конструкцию. Генератор содержит перфорированные вытягивающие электроды 3, 10 с отверстиями 15, в которые входят заострённые зарядообразовательные части 5, 12 эмиттерных электродов 4, 11. Работа этого электрогазо-гидродинамического генератора происходит аналогично работе генератора, изображённого на рис. 3. Для ориентации электрического поля, возникающего между вытягивающими электродами 3 и 10, вдоль потока среды служит выравнивающий электрод 16, который выполнен в виде сетки. При необходимости выравнивающий электрод может быть подключен к заземлению 7.

Третий вариант электрогазогидродинамического генератора, в принципе, является вариантом компоновки, предназначенным для использования в ветроэнергетике. Отдельные секции, выполненные по этому варианту, могут быть объединены между собой до получения более крупной панели, похожей на парус. По подобному принципу можно строить и генераторы, вырабатывающие переменный многофазный ток. В этом случае количество каналов отдельной секции будет равно или кратно количеству фаз.

Литература:
1. Вестник АН СССР. 1976. № 1. С. 34-43.
2. Харченко Н. В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат 1991г. С. 8-15.
3. Конеченков А. Е., МатвеевЮ. Б. Ветроэнергетика Украины. Факты и комментарии. Журнал Электрик №2 за 2002 г. С. 21,22.
4. Лаврус В. С., Источники энергии
5. Савинов А.Е. и др. Электрогазо(гидро)динамический преобразователь энергии. Патент России №2119232, МПК H02N3/00.
6. Володiн В. Я. Електрогазогiдродинамiчний генератор /варiанти/. Патент Украiны №44503А, МПК H02N3/00

Как построить машину Уимшерста на 30 киловольт

Электрофорная машина, генератор Уимсхёрста — электростатический генератор, то есть электрическая машина для генерирования высокого напряжения, разработанная британским изобретателем Джеймсом Уимсхёрстом. Использует явление электростатической индукции, при этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт. Работает с помощью механической энергии.

Электростатические машины создают заряды высокого напряжения без привычных катушек из медной проволоки, постоянных магнитов и коммутаторов, которые есть в обычных генераторах. Они сделаны из латуни, стекла и дерева и выглядят скорее механическими, чем электрическими.

Самое интересное в этих генераторах — это то, что вы можете почувствовать их работу. Когда вы запускаете машину Wimshurst, вы можете слышать, как она потрескивает от энергии, вы чувствуете резкий запах озона и чувствуете, как волосы на руках встают дыбом, когда лейденские банки начинают заряжаться.

Джеймс Вимшерст изобрел машину Вимшерста в конце 1800-х годов. Это «простой» генератор высокого напряжения, который можно использовать в экспериментах. Он вытеснил другие устройства, такие как машины «Holtz» и «Voss». Это был один из первых способов генерировать высокое напряжение, позволяющее более или менее удобно делать рентгеновские снимки на рубеже веков. Машина Вимшерста была заменена примерно в 1924 году более практичными генераторами, такими как генератор Маркса, который до сих пор используется в лазерных принтерах и телевидении с ЭЛТ.

Машина Вимшерста состоит из двух дисков, вращающихся в противоположных направлениях, и двух лейденских банок (конденсаторов). Чаще всего он приводится в действие рукояткой, но также может приводиться в действие электродвигателем.
В этой статье мастер покажет, как он спроектировал и построил машину Вимшерста с нуля.

Конкретно это устройство генерирует 30 000 вольт (рассчитано с использованием максимального расстояния между искровыми промежутками) и несколько десятков микроампер.

Работает устройство следующим образом.

Начало: зарядка секторов
Машина состоит из двух диэлектрических дисков. Каждый диск разделен на сектора. Сектора металлизированы. Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Работа начинается с любого сектора, который имеет заряд, то есть у них несбалансированное количество положительного или отрицательного заряда. Допустим, что сектор на передней стороне есть чистый отрицательный заряд.
Этот отрицательный сектор влияет на сектор, к которому он обращен на противоположном(заднем) диске, отталкивая отрицательный заряд к дальней стороне заднего сектора (поскольку одинаковые заряды отталкиваются) и оставляя ближнюю сторону с положительным зарядом (поскольку разные заряды притягиваются). Этот процесс называется электростатической индукцией. Машину Вимшерста называют «машиной влияния», поскольку заряд в одном секторе влияет на распределение заряда в другом секторе. Несмотря на то, что распределение заряда в заднем секторе находится под влиянием, он все еще имеет отрицательный заряд.

Нейтрализующий заряд
Рис.4. показывает, что происходит рядом с задним диском, на который только что воздействовали. На каждом диске имеется нейтрализующий стержень. На каждом конце полосы нейтрализации есть проводник (щетка), который касается секторов по мере их прохождения. Количество секторов четное и стержень касаясь одного сектора, касается противоположного сектора. Таким образом противоположный сектор тоже получает отрицательный заряд.

На следующем рисунке представлена ситуация сразу после нейтрализации поверхностного заряда на обоих секторах после того, как диски немного повернуты в сторону от щеток. Первый сектор остается с положительным зарядом, поскольку отрицательный заряд только что был снят с него нейтрализующей полосой. Второй сектор только что получил отрицательный заряд от нейтрализующей планки, поэтому он остается заряженным отрицательно.

Теперь у нас есть 3 заряженных сектора: исходный, с которого началась последовательность событий, первый заряженный сектор и второй заряженный сектор. Затем процесс повторяется на следующих секторах.

Накопление заряда
Если посмотреть внимательно, все отрицательно заряженные сектора направляются к левому коллектору, а все положительно заряженные сектора направляются к правому коллектору. Также можно заметить, что секторы, которые только что прошли через любой из коллекторов заряда, получили свой заряд и теперь в целом нейтральны. Так продолжается до тех пор, пока он не достигнет нейтрализующих щеток, где воздействующее и нейтрализующее действие перезарядит их.

Сбор заряда
Электроды физически не касаются секторов. Вместо этого они имеют острые края, обращенные к секторам, и между ними есть воздушный зазор. В качестве примера рассмотрим один из коллекторов Отрицательный заряд на секторах отталкивает электроны от острия, оставляя положительный заряд. Электрический заряд имеет тенденцию накапливаться вокруг острых предметов. Сложенный положительный заряд приводит к возникновению сильного электрического поля в зазоре между заряженными секторами и коллекторными гребешками. Это сильное электрическое поле ионизирует молекулы воздуха и делает их проводящими, образуя синевато-пурпурную корону возле острия. Этот проводящий воздух значительно снижает сопротивление, которое обычно имеет воздух. Это приводит к тому, что отрицательный заряд на секторах перескакивает через зазор к коллектору, что снова оставляет сектора нейтральными.
Тот же процесс происходит на правом коллекторе, только с противоположными зарядами.

Лейденские банки и искровой разряд
Остальная часть схемы состоит из разрядника и двух лейденских банок, которые представляют собой два цилиндрических конденсатора, соединенных последовательно. Искровой разрядник также представляет собой конденсатор, хотя и гораздо меньшего размера, чем у лейденских банок. Он также имеет диэлектрик (воздух). Искровой разрядник и цепь лейденских банок параллельны коллекторам. Шунт часто используется для простого подключения и отключения лейденских банок.

Заряд, собранный с секторов, заряжает лейденские банки и далее переходит на искровой разрядник.

Шаг второй: диски
Первоначально мастер использовал два желтых акриловых листа, которые были вырезаны на лазерном резаке. К сожалению, он упустил из виду тот факт, что нужно сделать отверстие по центру. При попытке сделать отверстия они не получились соосно.
Тогда он сделал два диска из оранжевого акрила.

Диски имеют диаметр 290 мм. Пять отверстий в центре предназначены для крепления подшипника. На каждом диске крепится 24 сектора из вырезанные из алюминиевой фольги.

Коллекторы заряда (гребни), сделаны из медной проволоки. Проволока сгибается буквой U. К прямым участкам припаиваются по 12 медных перемычек. Затем перемычки обрезаются немного отступив от края.

Гребешки крепятся так, чтобы острые штырьки располагались напротив секторов. Гребешки в свою очередь соединяются с медной проволокой, закрепленной на шпильках лейденских банок.

Лейденские банки представляют собой два слоя алюминиевой фольги обернутые вокруг секции от люминесцентной лампы (стеклянная колба или трубка). Один слой изнутри, второй снаружи. По сути это конденсатор. Для устройства нужны две Лейденские банки. Одна у него получилась емкостью 0,83 нФ, а вторая 0,76 нФ.

Наружные фольга банок соединяется медным шунтом.

Шаг восьмой: устранение неполадок
Изначально машина выдавала максимум 200В. Внимательно рассмотрев устройство, он понял, что частично утечка была через металлический вал, на котором были установлены диски. Оси касались бронзовые стержни. Сначала он заизолировал стержни, затем заменил ост на диэлектрическую.

Вторым фактором, влияющим на напряжение было количество гребешков. Он удалил их все, кроме одного.
Имея только по одному гребешку с каждой стороны токосъемника, площадь будет минимальной, а напряжение — максимальным.

Источник: nevinka-info.ru