Generadores electrostáticos: dispositivo, principio de funcionamiento y aplicación.
Carga eléctrica — el fenómeno cuando dos cargas opuestas de igual magnitud se cancelan. Si dos cuerpos, fuertemente cargados con una carga eléctrica opuesta, están muy cerca uno del otro, entonces salta una chispa entre ellos y se escucha un breve estallido.
La fuerza de acción de un cuerpo cargado eléctricamente sobre otro, cuya carga se toma como una unidad, se denomina potencial. La diferencia de potencial es el voltaje.
Primeras formas de conseguir cargos electricos y los campos electrostáticos consisten en la fricción de varios materiales (piel, lana, seda, cuero y otros materiales contra vidrio, resina, goma etc.). Al mismo tiempo, los voltajes y las cargas eran extremadamente pequeños. La inducción y acumulación de cargas por transferencia mecánica hizo posible un ligero aumento en los voltajes resultantes.
Posteriormente, con el fin de obtener altos voltajes, se crearon máquinas de funcionamiento continuo con discos giratorios basados en el principio de guía electrostática (inducción).Sin embargo, estas máquinas no permitieron obtener alta potencia y encontraron aplicación principalmente como dispositivos en las oficinas de física de las instituciones educativas.
Electrificación de cuerpos e inducción electrostática
El mensaje al cuerpo de cargas eléctricas se llama electrificación… Descrito en el artículo Electrificación de cuerpos e interacción de cargas el proceso de formación de iones positivos y negativos da una idea del proceso de electrificación de los cuerpos: consiste en la transferencia de electrones de un cuerpo a otro.
Así, la carga eléctrica del cuerpo está determinada por el exceso o la deficiencia en el cuerpo. electrones… Es posible electrificar un cuerpo de varias maneras, de las cuales la fricción, el contacto, la dirección, la transferencia de carga son técnicas.
El proceso inverso, la restauración del estado neutral del cuerpo (neutralización), consiste en darle una cantidad de electrones que faltan o quitarle el exceso.
Durante la electrificación por fricción, si no se comunican cargas adicionales a ninguno de los cuerpos en contacto desde el exterior, ambos cuerpos se cargan con la misma cantidad de electricidad de distinto signo. Cuando los cuerpos están conectados, sus cargas se neutralizan por completo.
De esta manera, las cargas no se crean ni se destruyen, sino que solo se transfieren de un cuerpo a otro. Esto nos convence de la existencia de la ley de conservación de las cargas eléctricas, por ejemplo ley de la conservación de la energía.
Electricidad estática — carga eléctrica en reposo. Ocurre como resultado de la fricción entre dos no conductores o un no conductor y metal (por ejemplo, correas de transmisión de motores), pero no necesariamente cuerpos sólidos.
La electricidad estática también puede surgir de la fricción de ciertos líquidos o gases. Las personas con piel muy seca acumulan cargas eléctricas. Durante el movimiento (roce de las fibras sobre la piel), se produce una carga eléctrica estática importante en el tejido, el tejido se adhiere al cuerpo e impide el movimiento.
La electricidad estática se vuelve peligrosa en ambientes inflamables y explosivos donde una sola chispa puede encender una masa completa. En este caso, es necesario liberar inmediatamente la carga estática al suelo o al aire por medio de algún dispositivo metálico cuya conductividad pueda incrementarse por humidificación o irradiación.
Inducción electrostática — la aparición de cargas eléctricas en el cable bajo la influencia de otras cargas ubicadas cerca del cable (electrificación del cuerpo a distancia).
Bajo la acción de una carga externa, se induce (surge) una carga en el extremo más cercano del conductor, cuyo signo es opuesto al signo de la carga que actúa desde el exterior, y en el extremo más alejado del conductor, un cargo del mismo signo. En este caso, ambas cargas inductivas son iguales en magnitud, es decir, la inducción provoca solo una separación de cargas en el cable, pero no cambia la carga total en el cable (ya que la suma de las cargas inducidas es cero).
La magnitud de las cargas inducidas y su ubicación están determinadas por la condición de que no debe haber campo electrostático dentro del conductor. Por lo tanto, las cargas inducidas se colocan de modo que el campo eléctrico que crean simplemente destruya el campo dentro del cable que crea la carga inductiva.
Un ejemplo de inducción electrostática: en un electroscopio descargado ambas cargas eléctricas, positiva y negativa, están en cantidades iguales y por lo tanto el electroscopio no está electrificado.
Si se le acerca una barra de vidrio con carga positiva, los electrones libres serán atraídos hacia ella simultáneamente y la carga positiva del electroscopio será repelida simultáneamente.
La carga negativa se concentra más cerca de la barra de vidrio, está conectada a ella, mientras que la carga positiva es repelida y, por lo tanto, se encuentra en la parte posterior del electroscopio, es libre.
El electroscopio ahora está electrificado. Sin embargo, este estado no es duradero. Vale la pena quitar la varilla de vidrio, ya que se viola la separación de la carga en positivo y negativo, se restaura el estado neutral del electroscopio y sus hojas vuelven a su posición original.
Electroscopio — un dispositivo con el que es posible determinar con qué carga se electrifica el cuerpo. Consiste en una barra de metal con una bola o placa en el extremo superior y dos láminas de metal que cuelgan libremente en la parte inferior. El funcionamiento del electroscopio se basa en el principio: los cuerpos del mismo nombre se repelen entre sí (Ver — El principio de funcionamiento del electroscopio.).
La inducción electrostática es una de las causas de rayo en la naturaleza, — la manifestación más poderosa y peligrosa de la electricidad estática atmosférica.
Iluminación Es una descarga de electricidad atmosférica entre partes individuales de la nube, nubes individuales, la nube y la Tierra, de la Tierra a la nube. En otras palabras, el rayo se puede definir como una corriente eléctrica de corta duración, una chispa eléctrica que iguala los potenciales eléctricos.
35 preguntas frecuentes sobre tormentas eléctricas y relámpagos
Generador electrostático Van de Graaf
Para fines científicos y técnicos (por ejemplo, en física nuclear, radiobiología, terapia de rayos X, prueba de materiales, detección de fallas, etc.), se necesitan dispositivos que puedan generar voltajes de varios millones de voltios.
Dichos dispositivos son generadores electrostáticos técnicamente avanzados con alto voltaje directo. El más famoso de ellos es el generador de Van de Graaf, creado en 1829 por un físico estadounidense Robert van de Graaff (1901 - 1967).
Generador Van de Graaf (1933) con un voltaje de 7 megavoltios
El generador es una bola hueca de metal montada sobre una columna hueca alta de material aislante. Las dimensiones de la bola y la altura de la columna están determinadas por el límite del voltaje requerido del generador (por ejemplo, para un generador con un voltaje de 5 MV, el diámetro de la bola alcanza los 5 m). Una cinta sin fin de material aislante (seda, caucho) se mueve dentro de la columna, que sirve como transportador para transferir cargas a la esfera.
A medida que avanza, la tira corre en la parte inferior del dispositivo pasando el cepillo conectado a un polo de la fuente corriente continua tensión de unos 10.000 V (un rectificador adecuado puede servir como esta fuente).Al diseñar sus primeros generadores electrostáticos, Van de Graaf utilizó el dispositivo con un tubo de vacío.
Dispositivo generador electrostático Van de Graaff
Desde las puntas de este cepillo, las cargas fluyen hacia la correa, que las lleva dentro de la bola y, a través del segundo cepillo, pasan a la superficie exterior de la bola.Para mejorar el proceso de mover hacia abajo la parte descargada de la cinta, se transfieren las cargas de signo opuesto, con la ayuda de cepillos retirados de la bola cargada.
Debido a la inducción electrostática, aparece una carga negativa en la escobilla, que es llevada por la descarga a la parte descendente de la correa. Esta carga luego se transfiere al cepillo y al rodillo inferior conectado a tierra, a través del cual se descarga al suelo.
A medida que la cinta continúa moviéndose, la carga en la bola aumenta hasta que alcanza un valor de umbral predeterminado determinado por el diámetro de la bola y la distancia de este a otro electrodo oa tierra.
A medida que la cinta continúa moviéndose, la carga en la bola aumenta hasta que alcanza un valor de umbral predeterminado determinado por el diámetro de la bola y la distancia de este a otro electrodo oa tierra.
Para aumentar el voltaje, se instalan dos dispositivos de este tipo, en los que las bolas reciben cargas de signos opuestos. Así, por ejemplo, para obtener una tensión de 10 MV, se utilizan dos generadores, cargados respecto a tierra a +5 MV y -5 MV e instalados a tal distancia entre sí que la posibilidad de ruptura a una tensión menor de lo dado está apagado.
Actualmente, existe una gran cantidad de modelos diferentes de generadores electrostáticos, incluidos los que repiten el diseño de Van de Graaff. Se utilizan tanto para experimentos físicos como para atracción de espectáculos y demostraciones de acción. electricidad estática.
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