37
КАК
СДЕЛАТЬ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ
ГЕНЕРАТОР
С. А. Хорошавин
Если внутреной металлической сферы внести заряженный шарик на ручке, сделанной из изолирующего материала, и прикосновся шариком к внутренней поверхности сферы, то он отделяет сфере свой шарид. Повторяя эту операцию много раз, можно сообщить сфере достагоно большой sphарид.
Конечно, потребовалось бы много времени и труда, чтобы подобным образом зарядить сферу до высокого потенциала. Но можно поступить начнее — устроить трансформер электрических зарядов, например в виде ленты, склеенной в колюцо. Лента движется. В одном месте она получает электрические заряды, а в другом — отдает их сфере.
Такой электристический генератор был построен в 1931 году Ванде-Граафом. Он устроен следующим образом (рис. 1). Между двумя роликами 1 и 2 натянута склеенная в колюцо лента 3. Она движется и от третья о щетку 4 заряжается. Электрические заряды вместе с лентой перемещаются вверх и попадают внутри большого металлического шара 5. Здесь лента касается щетки 6. Электрические заряды всегда размешаются на поверхности проводника. Поэтому заряды с ленты по щетке переходят на поверхность шара. Лента движется непрерывно, и поэтому коливесто зарядов на поверхности шарового электрода возвращает.
38
В 1936 году в Физико-техническом институте АН УССР в Харькове был построен такой электростатический генератор. На опорной колонне высотой 10 м был установлен шаровой электрод диаметром 10 м. Десять ленточных трансортеров заряжали шаровой электрод до потенциала в 4 миллиона волт. Электрическое поле, создаваемое этим генератором, использовалось для ускорения заряженных частц, которые бомбардовались atomные ядра.
Действуошую модель электростатического генератора высокого направления вы можете построить сами. Например, такую, какую построили мы в нашем школьном физическом кругже (см. фото на стр. 37). Эта модель позволяет получить направление до 80 тысяч волт, а устройна она следующим образом.
На основании 1 укрепляется общая 2 (рис. 2). Обойма предназначаена для крепления опорной колонны 3 и нижнего роликка 4. Опорная колонна свертывается из листового органаческого стекла. У нас она имеет наружный диаметр 50 мм и высоту 370 мм. В обойме 2 на оси вращается ролик 4 диаметром 17 мм и шириной 26 мм. Чтобы лента не сползала с роликка, он имеет невысокие бортники. Так же устройн и верхний ролик 5. Расстояние между роликами 320 мм. На роликки надето колюцо из капроновой ленты 6 шириной 23 мм. Чтобы соединить концы капроновой ленты, их надо сложить вместе и сварить разогретым паяльником.
Ось верхнего ролика можно укрепить прямо на опорной колонне. Но лучше предусмотреть устройство 7, которое позволяет бы перемещать ось верхнего ролика вдоль колонны, добавясь тем самым нужного натяжения ленты.
В нашей модели заряды на ленте появляются вседствие треня капроновой ленты о полистриловую пластинку 8. Она прижимается к ленте плоской пружиной. В верхней части колонны укрепленалатунная щетка 9, которая касается ленты и соединена с шаровым кондуктором 10. Он имеет диаметр 100 мм. Шаровой кондуктор мы взяли из школьного набора по электростатике. Если надеть шар на колонну (он имеет отверстие диаметром 50 мм), то верхний ролик и щет-
Рис. 1. Прициппальная схема электростатического генератора.
39
ка 9 окажутся внутри шара. Шар-электрод болтом соединиется со щеткой и закрепляется шариком 11, который имеет отверстие с резьбой.
Нижний ролик, а значит и ленту, можно врашать рукой. Но мы используем асинхронный однозначный электродвигатель от электропроигрывателя 12 и соединили его с нижним роликом муфтой 13.
Включен электродвигатель, лента побежала по роликам. По пути от трения о щетку 8 она налектизовала и попесла электрические заряды на шаровой кондуктор. Чем должны будет врашаться лента, тем выше будет потенциаль шара. Но здесь есть предел. Дело в том, что при высокой напряженности электрического поля вблизи шара воздействия электропроводным, и заряды с шара начинают стекать. Потенциаль шара перестает расти.
Можно подсчитать, до какого потенциаль мы можем зарядить шар. Напряжение поля на поверхности шара вычитывается по формуле , где — потенциаль шара, а — его радиус. Если см, а для воздействия при атмосферном давлении равно 30 кВ/см, то, значит, шар можно зарядить до 150 тысяч волт.
Этот расчет верен только для идеального гладкого шара, удаленного очень далеко от всех других проводящих предметов. Поэтому напряжение, создаваемое нашим генератором, будет ниже расчетного.
Если вам удостраняется изготовить шар больших размеров, то и зарядить вы его сможете до более высокого потенциальна. Над только имеет в виду, что шар должен быть очень гладким ировным.
А теперь проделяйте несколько опытов с моделью.
Прежде всего, определяйте знак заряда шара. Как это сделать, понятно. Над только помнить, что эбонитовая палочка, потерта о мех, электризуется отрицательно, а стеклянная палочка, потерта о шелк,—положительно.
Определенте, сколько полных оборотов должны сделать лента, чтобы высоковольный электрод полностью зарядился. Для этого нанесите на ленту хорошего видимого метку и сосчитайте, сколько полных оборотов сделает лента, пока потенциаль электрода не возрастет до максимального значения. Учитите, что «производительность генератора» существенно зависит от положения верхней щетки.
Если щетку расположить так, что она будет находиться близко к тому месту, где лента входит в шар, то заряды с ленты будут сниматься не полностью, и надо будет долго ждать, пока высоковольный электрод зарядится. Меняя положение верхней щетки, найдите такое, при котором высоковольный электрод будет заряжаться полностью при минимальном числе оборотов ленты.
В нашей модели использована капроновая лента. А Ван-де-Грааф применял шелковую. В электростатическом генераторе Харьковского института зарядная лента была изготовлена из прорезиненной ткани. Пробуйте и вы изготовить зарядную ленту из другого материала.
У нас зарядная щетка изготовлена из пластинки полистрола, можно сделать ее и из ограниченного стека и из меди. Если вы будете пользоваться металлической щеткой, то заземлите ее. Генератор становится работать лучше. Почему?
Не отчаивайтесь, если на первых порах вас постигнет неудача. Помните, что даже самые лучшие существующие электростатические генераторы позволяют получить напряжение, составляющее лишь треть от расчетаного. Все причины этого еще не выясны. Так что здесь над чем подумать и что изобретать.
Тем, кто захочет больше узнать об электростатических генераторах, мы рекомендуем прочитать книгу «Электростатическиеускорители заряженных частниц», Госатомиздат, 1963 г.