Générateurs électrostatiques — dispositif, principe de fonctionnement et application

Charge électrique — le phénomène lorsque deux charges opposées de grandeur égale s'annulent. Si deux corps, fortement chargés d'une charge électrique opposée, sont à une distance proche l'un de l'autre, une étincelle saute entre eux et un bref claquement se fait entendre.

La force d'action d'un corps électriquement chargé sur un autre, dont la charge est prise comme une unité, est appelée potentiel. La différence de potentiel est la tension.

Premiers moyens d'obtenir charges électriques et les champs électrostatiques consistent en la friction de divers matériaux (fourrure, laine, soie, cuir et autres matériaux contre le verre, la résine, caoutchouc etc.). Dans le même temps, les tensions et les charges étaient extrêmement faibles. L'induction et l'accumulation de charges par transfert mécanique ont permis une légère augmentation des tensions résultantes.

Par la suite, afin d'obtenir des tensions élevées, des machines fonctionnant en continu avec des disques rotatifs basés sur le principe du guidage électrostatique (induction) ont été créées.Cependant, ces machines ne permettaient pas d'obtenir une puissance élevée et trouvaient principalement une application en tant qu'appareils dans les bureaux de physique des établissements d'enseignement.

Électrification des corps et induction électrostatique

Le message au corps des charges électriques s'appelle électrification… Décrit dans l'article Électrification des corps et interaction des charges le processus de formation des ions positifs et négatifs donne une idée du processus d'électrification des corps : il consiste en un transfert d'électrons d'un corps à un autre.

Ainsi, la charge électrique du corps est déterminée par l'excès ou la carence dans le corps. électrons… Il est possible d'électriser un corps de diverses manières, dont le frottement, le contact, la direction, le transfert de charge sont techniques.

Le processus inverse — restauration de l'état neutre du corps (neutralisation) — consiste à lui donner un nombre d'électrons manquant ou à lui en retirer un excès.

Lors de l'électrification par frottement, si aucune charge supplémentaire n'est communiquée à l'un ou l'autre des corps en contact depuis l'extérieur, les deux corps sont chargés de la même quantité d'électricité de signes différents. Lorsque les corps sont connectés, leurs charges sont complètement neutralisées.

De cette façon, les charges ne sont pas créées ou détruites, mais seulement transférées d'un corps à un autre. Ceci nous convainc de l'existence de la loi de conservation des charges électriques, par exemple loi de conservation de l'énergie.

Électricité statique — charge électrique au repos. Se produit à la suite d'un frottement entre deux non-conducteurs ou un non-conducteur et du métal (par exemple, des courroies d'entraînement de moteur), mais pas nécessairement des corps solides.

L'électricité statique peut également provenir du frottement de certains liquides ou gaz. Les personnes ayant la peau très sèche accumulent des charges électriques. Lors d'un mouvement (frottement des fibres sur la peau), une charge électrique statique importante se produit dans le tissu, le tissu adhère au corps et empêche le mouvement.

L'électricité statique devient dangereuse dans les environnements inflammables et explosifs où une seule étincelle peut enflammer une masse entière. Dans ce cas, il est nécessaire de libérer immédiatement la charge statique dans le sol ou l'air au moyen d'un dispositif métallique dont la conductivité peut être augmentée par humidification ou irradiation.

Induction électrostatique — l'apparition de charges électriques sur le fil sous l'influence d'autres charges situées à proximité du fil (électrification du corps à distance).

Sous l'action d'une charge externe, une charge est induite (surgit) à l'extrémité la plus proche du conducteur, dont le signe est opposé au signe de la charge agissant de l'extérieur, et à l'extrémité éloignée du conducteur, une chargé du même signe. Dans ce cas, les deux charges inductives sont d'amplitude égale, c'est-à-dire que l'induction ne provoque qu'une séparation des charges sur le fil, mais ne modifie pas la charge totale sur le fil (puisque la somme des charges induites est nulle).

L'amplitude des charges induites et leur emplacement sont déterminés par la condition qu'il n'y ait pas de champ électrostatique à l'intérieur du conducteur. Par conséquent, les charges induites sont positionnées de manière à ce que le champ électrique qu'elles créent détruise simplement le champ à l'intérieur du fil créé par la charge inductive.

Un exemple d'induction électrostatique : dans un électroscope non chargé, les deux charges électriques, positive et négative, sont en quantités égales et donc l'électroscope n'est pas électrifié.

Si une tige de verre avec une charge positive s'en approche, les électrons libres seront simultanément attirés vers elle et la charge positive de l'électroscope simultanément repoussée.

La charge négative est concentrée plus près de la tige de verre, est reliée à celle-ci, tandis que la charge positive est repoussée et se trouve donc à l'arrière de l'électroscope — elle est libre.

L'électroscope est maintenant électrifié. Cependant, cet état n'est pas durable. Cela vaut la peine de retirer la tige de verre, car la séparation de la charge en positif et négatif est violée, l'état neutre de l'électroscope est restauré et ses feuilles reviennent à leur position d'origine.

Électroscope — un appareil avec lequel il est possible de déterminer avec quelle charge le corps est électrifié. Il se compose d'une tige métallique avec une boule ou une plaque à l'extrémité supérieure et deux feuilles de métal suspendues librement à la base. Le fonctionnement de l'électroscope est basé sur le principe : les corps de même nom se repoussent (Voir — Le principe de fonctionnement de l'électroscope).

L'induction électrostatique est l'une des causes de foudre dans la nature, — la manifestation la plus puissante et la plus dangereuse de l'électricité statique atmosphérique.

Foudre C'est une décharge d'électricité atmosphérique entre des parties individuelles du nuage, des nuages ​​individuels, le nuage et la Terre, de la Terre au nuage. En d'autres termes, la foudre peut être définie comme un courant électrique de courte durée, une étincelle électrique qui égalise les potentiels électriques.

35 questions fréquemment posées sur les orages et la foudre

Générateur électrostatique Van de Graaf

À des fins scientifiques et techniques (par exemple, en physique nucléaire, en radiobiologie, en radiothérapie, en essais de matériaux, en détection de défauts, etc.), des appareils capables de générer des tensions de plusieurs millions de volts sont nécessaires.

Ces dispositifs sont des générateurs électrostatiques techniquement avancés à haute tension continue. Le plus célèbre d'entre eux est le générateur Van de Graaf, créé en 1829 par un physicien américain Robert van de Graaff (1901 - 1967).

Générateur Van de Graaf (1933) avec une tension de 7 mégavolts

Le générateur est une boule creuse en métal montée sur une haute colonne creuse en matériau isolant. Les dimensions de la boule et la hauteur de la colonne sont déterminées par la limite de la tension requise du générateur (par exemple, pour un générateur avec une tension de 5 MV, le diamètre de la boule atteint 5 m). Une bande sans fin de matériau isolant (soie, caoutchouc) se déplace à l'intérieur de la colonne, qui sert de convoyeur pour transférer les charges vers la sphère.

Au fur et à mesure que vous montez, la bande passe au bas de l'appareil devant la brosse connectée à un pôle de la source courant continu tension d'environ 10 000 V (un redresseur approprié peut servir de source).Pour concevoir ses premiers générateurs électrostatiques, Van de Graaf a utilisé le dispositif avec un tube à vide.

Dispositif générateur électrostatique Van de Graaff

Depuis les pointes de cette brosse, les charges descendent sur la courroie, qui les transporte à l'intérieur de la balle, et à travers la deuxième brosse, elles passent à la surface extérieure de la balle.Pour améliorer le processus de déplacement de la partie non chargée de la bande vers le bas, les charges du signe opposé sont transférées, à l'aide de brosses retirées de la balle chargée.

En raison de l'induction électrostatique, une charge négative apparaît sur la brosse, qui est transportée par la décharge vers la partie descendante de la bande. Cette charge est ensuite transférée à la brosse et au rouleau inférieur mis à la terre, à travers lesquels elle est déchargée au sol.

Au fur et à mesure que le ruban continue de se déplacer, la charge de la bille augmente jusqu'à atteindre une valeur seuil prédéterminée déterminée par le diamètre de la bille et la distance de celle-ci à une autre électrode ou à la masse.

Au fur et à mesure que le ruban continue de se déplacer, la charge de la bille augmente jusqu'à atteindre une valeur seuil prédéterminée déterminée par le diamètre de la bille et la distance de celle-ci à une autre électrode ou à la masse.

Pour augmenter la tension, deux de ces dispositifs sont installés, dans lesquels les billes reçoivent des charges de signes opposés. Ainsi, par exemple, pour obtenir une tension de 10 MV, on utilise deux générateurs, chargés par rapport au sol à +5 MV et -5 MV et installés à une distance telle l'un de l'autre que la possibilité de panne à une tension inférieure que donné est désactivé.

Actuellement, il existe un grand nombre de modèles différents de générateurs électrostatiques, y compris ceux qui reprennent la conception de Van de Graaff. Ils sont utilisés à la fois pour des expériences physiques et comme attraction pour des démonstrations de divertissement et d'action. électricité statique.

C'est intéressant: Nanogénérateur à effet triboélectrique (TENG)