Статична електрика

Ах, які це були ефектні і захоплюючі досліди! Як чудово зойкали і блідли дами, коли сповнені важливості вчені демонстратори витягували з виряджених кавалерів довгі блакитно-фіолетові іскри, коли простим піднесенням руки вони запалювали спирт і жменьки пороху, коли кілька десятків кавалерів, які взялися за руки, отримували приголомшливий удар, варто було тільки двох крайніх доторкнутися до зовні нешкідливою скляній банці ...

Всі ці вражаючі ефекти викликалися до смішного простими засобами: скляною паличкою, натертої сухим хутром, що обертаються скляними кулями і циліндрами, що труться про долоні людини, ізольованого від статі.

Загальне захоплення електрикою від тертя в другій половині XVIII століття можна порівняти лише з ентузіазмом, за сто років до цього викликаним відкриттям атмосферного тиску. Навіть самі тверезі вчені піддалися загальному сп'яніння. Як колись намагалися звести все до дії атмосферного тиску, так тепер примудрялися прояв електрики побачити і в обертанні планет навколо Сонця, і у виникненні землетрусу, і в перебігу багатьох хвороб. Не випадково 1750 - 1780-ті роки увійшли в історію фізики як «період електрики від тертя».

Кінець цього періоду поклало «створення приладу, який за своїми діями схожий з лейденської банкою ... але який, проте, діє безперервно, тобто його заряд після кожного розряду відновлюється сам собою». Так в 1799 році А. Вольта описував свою електричну батарею - великий винахід, різко змінило весь хід електричних досліджень.

Вольтів стовп, що дав можливість отримувати порівняно великі струми при невисоких напругах, зосередив увагу вчених на магнітних, механічних і теплових діях електричного струму, які до кінця XIX століття вже лежали в основі всієї електротехніки. Але лише в XX столітті почав відроджуватися інтерес до колись занедбаного «електрики від тертя». І причиною цього відродження стало важливе винахід, зроблений на рубежі століть, - коронний розряд ...

Воістину «коронний» розряд

Промисловий досвід минулого століття свідчив головним чином про негативні діях «електрики від тертя». Самі того не підозрюючи, інженери будували електростатичні генератори величезних розмірів і, на жаль, досить високу ефективність. Ми говоримо: «на жаль», оскільки їх ефективність підтверджувалася найсильнішими вибухами на порохових заводах, борошномельних млинах і цукрових фабриках.

Виявляється, неможливо транспортувати цукор, борошно і взагалі будь-який сухий порошок по трубах або транспортерів без того, щоб вони не накопичували в собі електричний заряд. Шкіряні та прогумовані ремені на обертових шківах теж наелектризовувати до вельми високої напруги. Папір, тканини, гумові шнури і стрічки - і вони сильно електризуються в процесі обробки. А якщо в повітрі висить дрібна горючий пил - скажімо, борошно або цукрова пудра, - то проскочила від наелектризованого тіла іскра може викликати вибух.

XX століття неймовірно розширив сферу шкідливого прояви електростатичного електрики. Незліченні пластмаси, штучні і синтетичні волокна, лаки і фарби, нафту, нафтопродукти та інші рiдини, - ось далеко не повний перелік.

Електризуються літаки під час польоту. Електризується нафту під час перекачування по трубопроводах, електризується навіть пар в процесі випаровування і руху по трубах. Тому і в нашому столітті увагу фахівців спочатку було направлено головним чином на те, щоб знизити ефективність ненавмисних електростатичних генераторів, позбутися від електризації і її неприємних наслідків. І на додаток до зволоження оброблюваних матеріалів і з'являються методи іонізації повітря - радіоактивні ізотопи і коронний розряд ...

Якщо до двох пластин, розділеним сантиметровим проміжком, прикласти напругу, що перевищує 30 тис. В, відбувається пробій - проскакує іскра, повітря перестає бути ізолятором і стає провідником. А що станеться, якщо докласти негативна напруга в 100 тис. В до проводу, який проходить в центрі заземленого циліндра радіусом 10 см?

На перший погляд нічого не повинно статися: адже на кожен сантиметр простору, що розділяє провід і циліндр, доводиться не 30 тис. В, необхідних для пробою, а всього лише 10 тис.

Так воно і було б, якби мова йшла про паралельних пластинах, що створюють однорідне електричне поле в зазорі. Тонкий же провід в циліндрі створює неоднорідне поле, біля стін циліндра воно слабкіше, а в зоні, що примикає до проводу, на 1 см може припадати напруга більше 30 тис. В.

Електрони, що вириваються при цьому з поверхні дроту, впроваджуються в молекули кисню і перетворюють їх в негативно заряджені іони, які прагнуть до стінок циліндра під дією електричного поля. У цей момент навколо дроти і виникає зеленувате світіння - коронний розряд. Роблячи повітря електропровідним, такий розряд знімає заряд з наелектризовані речовин.

Для цього він і застосовувався спочатку. Але потім виявилося, що в подібному явищі таївся ключ до широкого промислового застосування статичної електрики.

У 1905 році англійський винахідник Ф. Коттрелл став пропускати крізь трубу з коронним розрядом газ, забруднене частинками сажі та золи. Що виходять в розряді іони «налипали» на тверді частинки і повідомляли їм великий негативний заряд, після чого такі частинки швидко відкидалися електричним полем на стінки заземленої труби, з якої в результаті виходив очищений газ.

Коронний розряд, що дозволив повідомляти діелектричним тілам заряди, у багато разів більші тих, які можна було повідомити їм за рахунок тертя, надав промислове значення статичної електрики. Досліди, перш служили для розваги, лягли в основу важливих технічних пристроїв і процесів. З'явилися установки для поділу всіляких сипких сумішей за допомогою електростатики. Вона стала широко застосовуватися в технологічних процесах поліграфії, обробки паперу і плівок.

В електростатичному полі проводиться забарвлення, нанесення абразивних частинок, сухих порошків і навіть коротких волокон на всякого роду підкладки. Електростатичне поле і коронний розряд - головні учасники ксерографічного процесу для швидкого відтворення текстів і методів безконтактної друку.

Так входить в промисловість і в життя «електрику від тертя», яким захоплювалися в другій половині XVIII століття і яким мало займалися протягом наступних 150 років. І в цьому швидко зростаючому практичному застосуванні електростатики секрет підвищеного інтересу до електростатичних генераторів, необхідним для приведення в дію всіх цих важливих технологічних процесів.

Генератор на лезі бритви

Те, що статичну електрику довго не знаходило корисного практичного застосування, цікавим чином відбилося на долі електростатичних генераторів. У той час як електромагнітні пристрої і прилади швидко покидали стіни лабораторій і, знаходячи «машинний» вигляд, затверджувалися на телеграфу, заводах і електростанціях, електростатичні пристрої животіли на полицях навчальних кабінетів.

Звичайно, не можна сказати, щоб вони зовсім удосконалювалися: між лейденської банкою, що заряджається натертої хутром скляною паличкою, і всім знайомої шкільної електрофорної машиною дистанція величезного розміру. Але ні скляної палички і хутра, ні електрофорної машини не знайти ніде, крім навчальних фізичних кабінетів: джерела статичної електрики майже півтора століття удосконалювалися не як промислові апарати, а як демонстраційні прилади.

Так, на зміну машинам, в яких скляні кулі, циліндри і диски електризувалося тертям об шерсть або шкіряні подушки, прийшли так звані «індукційні» машини. В основі їх дії лежало явище, відкрите Вольта і не має ніякого відношення до тієї «індукції», яка склала славу Фарадея.

Вольта зауважив, що якщо, наприклад, до позитивно зарядженої пластини близько, але не до зіткнення піднести металевий диск, ізольований від землі, то на його поверхні, зверненої до зарядженої платівці, зберуться негативні заряди. Заряди ж позитивні, прагнучи піти від однойменних зарядів пластини, зберуться на зовнішній стороні.

Якщо ненадовго заземлити цю зовнішню сторону, позитивні заряди підуть в землю, і диск, навіть виведений з поля пластини, виявиться зарядженим негативно. Розрядивши його на лейденську банку, можна знову і знову повторювати всю цю операцію, під час якої спочатку повідомлений пластині заряд сам не витрачається, але безперервно «індукує» - наводить - заряд в металевому диску.

Перша машина, в якій всі ці операції виконувалися авгоматіческі, була споруджена в 1831 році італійцем Беллі. Потім її вдосконалили німецькі фізики Теплера і Гольц, і, нарешті, в 1870-х роках з'явилася індукційна електрофорна машина Уімшерста, що прикрашає нині шкільні фізичні кабінети.

Вивчення електричного розряду в розріджених газах дало перший поштовх вдосконаленню електростатичних генераторів, і виявилося максимум, що можна було вичавити з багатодисковим машин, це 300 тис. В і 1,2 кВт.

Вивчення атомного ядра, що привело до ще більших напруг, призвело до появи нових конструкцій. По суті, генератори Ван де Грааф і Фелічі, створені відповідно в 1930-х і 1940-х роках, принципово не відрізнялися один від одного. Серцем кожного з них був величезний порожнистий металевий кулю, надійно ізольований від землі, на внутрішню поверхню якого безперервно підводився електричний заряд. Тільки Ван де Грааф для підведення заряду використовував стрічку на двох обертових шківах, а Фелічі - швидко обертається пластмасовий циліндр.

Перший генератор Ван де Грааф, з стрічкою, електрізуемость шляхом індукції, був пущений в 1936 році і при потужності 6 квт дав напруга 5 млн. В. Пізніше для електризації стрічок і циліндрів стали застосовувати коронний розряд, і до 1950-х років в розпорядженні вчених знаходилися генератори двох типів.

Генератори Ван де Грааф давали високі напруги - до 10-15 млн. В - при малих токах до 1000 ца, а генератори Фелічі, навпаки, давали порівняно великі струми - до 10 тис. Ца - при менших напругах, до 1 млн. В. Але якою дорогою ціною дістаються ці характеристики!

По-перше, розміри. Генератор потужністю в кілька десятків кіловат є спорудою висотою 5-10 м. По-друге, поблизу сферичного електрода, на якому накопичується заряд, теж виникає «корона». Для її придушення доводиться поміщати всю установку в герметичний сталевий кожух, наповнений газом під високим тиском. Так, генератори Ван де Грааф наповнюються сумішшю азоту і вуглекислоти під тиском 30 атм, а генератори Фелічі - воднем під тиском 25 атм. По-третє, порівняно швидкий знос стрічок і циліндрів призводить до забруднення внутрішніх порожнин генератора пилом

Не дуже істотні, коли мова йде про унікальні генераторах для наукових досліджень, ці недоліки стають нетерпимими для промислових генераторів, які повинні надійно працювати протягом тривалого часу. Ось чому в останні роки електротехніки все більше і більше уваги приділяють розробці більш дешевих, надійних, потужних і компактних генераторів, перш за все електрогідродінаміческіх.

Дійсно, рухому заряджену стрічку або циліндр, що обертається можна замінити потоком зарядженої діелектричної рідини. Несучи заряд у всьому своєму обсязі, такий потік повинен створювати набагато більший струм, ніж стрічка або циліндр, в яких заряд розташований лише на поверхні.

Головними труднощами при створенні електростатичного генератора, що працює на потоці вуглеводню - гексану, виявилося повідомлення електричного заряду рідини. Оскільки звичайні методи електризації - коронний розряд і радіоактивне випромінювання - викликали небажане зміна властивостей гексана, дослідникам довелося шукати щось краще.

Дослідний зразок пристрою, що послужив основою для подальших розробок, представляв собою трубу, в яку був вставлений катод - набір тонких сталевих лез. До вістрям лез з невеликим проміжком примикав анод-сітка, за якою розташовувався колектор генератора.

Коли насос починав прокачувати через трубку гексан, до лез і до сітці прикладалася висока напруга, під дією якого електрони стікали з лез в товщу рідини, що рухається і повідомляли їй заряд, який обчислюється сотнями микроампер. Частина цих зарядів тут же осідала на позитивно зарядженій сітці, а залишок потоком рідини проносився крізь неї до колектора, на якому і відбувалося накопичення заряду.

Основним недоліком такої схеми була непродуктивна нейтралізація «впорснути» в рідину зарядів на сітці. Тому в наступній конструкції вістря лез були розташовані по стінках труби вздовж потоку рідини, а сітка була згорнута в трубочку і поміщена вздовж осі труби. Тепер негативні заряди, що стікали з лез, не встигали нейтралізуватися - потік ніс їх до колектора швидше, ніж вони могли досягти сітки.

При випробуванні першої дослідної моделі електрогідродинамічного генератора, створеної в Англії, виявилася цікава річ. У міру того, як заряд накопичується на колекторі, його електричне поле все сильніше і сильніше чинить опір притоку нових зарядів. Потім настає момент, коли заряди зовсім перестають досягати колектора і починають накопичуватися на виході з інжектора. А оскільки однойменні заряди відштовхуються один від одного, вони починають рухатися до стінок труби і врешті-решт розривають її.

Саме небезпека механічного руйнування обмежила максимальну напругу дослідної моделі 400 тис. В. Зате наступна модель, в конструкцію якої були внесені відповідні зміни, дозволила створювати максимальну напругу в 2 млн. В. Насос цього електрогідродинамічного генератора приводився в дію мотором в 10 л. с, а швидкість потоку в робочій частині становила 5 м / сек.

На думку фахівців, в даний час вже накопичено досвід, достатній для того, щоб приступити до створення перших промислових електрогідродінаміческіх генераторів.

Пилеелектріческій генератор

У 1936 році відомий радянський історик техніки В. Данилевський в статті «Історія техніки як один з факторів технічного прогресу» наполегливо звертав увагу фахівців на дивовижну пароелектріческую машину Армстронга. «Зараз, - писав він, - необхідно вивчення принципу машини Армстронга радянськими електротехніками з метою встановити можливість нового оформлення цього ж принципу ...»

За описами вдалося встановити, що ця машина давала максимальне напруження в кілька сот тисяч вольт і була, безсумнівно, найпотужнішою електричною машиною свого часу. Але розрахунки дали також відповідь і на питання, чому настільки цікава і ефектна ідея була забута: к.к.д. машини становив всього 0,01%! Нікчемність цієї цифри надовго відбила у електротехніків бажання займатися пароелектріческімі машинами.

Лише в 1930-х роках, мабуть, під враженням успішної роботи електростатичних очисників диму фахівці знову повернулися до цієї ідеї. Дійсно, електростатичний очищувач неважко перетворити в електростатичний генератор. Для цього потрібно лише звернути його: за допомогою повітряного струменя проганяти заряджені в коронному розряді порошинки крізь електрод-колектор. У 1930-х роках французькі і бельгійські електротехніки побудували такий «пилеелектріческій» генератор. Війна перервала ці роботи, і вони відновилися лише 30 років потому.

Вчені звернули увагу на те, що в таких установках заряджені тверді частинки транспортуються газом. Зміни, що зазнають їм, можуть бути описані за допомогою давно і добре вивчених термодинамічних циклів. Так народилася ідея електрогазодінаміческого генератора для прямого перетворення теплової енергії в електричну.

Основний елемент такого генератора - «турбіна» - канал, в якому газ розширюється і робить роботу над зарядженими частинками, примушуючи їх долати опір електричного поля і рухатися до електрода з високим потенціалом. Той же самий елемент, до якого електрику підводиться і, змушуючи заряджені частинки прискорюватися, стискає газ, стає «компресором». Компонуючи турбіну і компресор з нагрівачами і охолоджувачами, можна отримати електричні подібності широко відомих теплових двигунів - дизелів, газових турбін, двигунів Стірлінга, Еріксона і т. Д.

В даний час немає жодного електрогазодінаміческого генератора, що працює за будь-якою з цих циклів. Поки йде відпрацювання лише одного елемента - турбіни. Існуючі дослідні зразки таких турбін ще дуже недосконалі. Їх ККД не перевищує 15-20%, в той час як к.к.д. сучасних парових і газових турбін досягає 90-95%. Однак термодинаміка підказує шляхи підвищення к.к.д. електрогазодінаміческіх турбін: їх, як парові і газові, треба робити багатоступінчатими.

Правда, на перший погляд порівняння виходить не на користь новинки. Там, де газовій турбіні досить лише 10-20 ступенів, електрогазодінаміческой потрібно близько 200! Але слід чітко уявляти, наскільки ці ступені простіше - по суті, кожна з них не більше ніж ділянку трубопроводу.

Попередні дослідження показали: канал діаметром 50 мм з 200 турбінними і 200 компресорними ступенями розвиває потужність в 50 кВт. Для того щоб отримати, наприклад, потужність в 50 тис. Квт, треба 1000 таких каналів з'єднати паралельно.

Великий вплив на к.к.д. електрогазодінаміческіх турбін і компресорів багатодітній родині і швидкість руху пилогазової суміші, розмір пилових частинок, тиск і т. д. Якщо в результаті обліку всіх цих заходів к.к.д. таких пристроїв буде доведений до 80-90%, то загальний термічний к.к.д. електрогазодінаміческой установки, що працює по циклу Еріксона, стане рівним 46- 56%. Тобто порівнянними з к.к.д. сучасних електростанцій ...

На схемі:

Електростатичний генератор з гумовою стрічкою. А - електростатична індукція. A1 - схема генератора Ван де Грааф: 1 - електрод високої напруги; 2 - електрод-колектор; 3 - рухома стрічка; 4 - ізолятор; 5 - заряжающая система з коронним розрядом.

Електростатичний генератор з діелектричної рідиною. Б - схема повідомлення електричного заряду рідини: 1 - лезо - катод; 2 - сітка - анод; 3 - негативно заряджені іони; 4 - напрямок потоку рідини. Б1 - схема рідинного генератора: 1 - інжектор; 2 - конфузор колектора; 3 - колектор.

Електростатичний генератор з пилогазовим робочим тілом. В - пароелектріческая машина Армстронга: 1 - потік пара; 2 - дерев'яний циліндр з отворами; 3 - колектор; 4 - електрод. B1 - схема одноступінчатого і багатоступінчастого електрогазодінаміческого генераторів: 1 - електрод високої напруги; 2 - колектор: 3 - зона перетворення; 4 - інжектор з коронним розрядом; 5 - нейтралізатор заряду; 6 - вентилятор.

За матеріалами журналу "Наука і техніка"