Elektrostatisk generator

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk
En Van de Graaff-generator, for demonstrasjoner i klasseromsundervisning. Den består en stor metallkule på en søyle av klar plast, inne i plassøylen kan et gummibelte sees. Gummibelte drives rundt med den lite elektromotoren på siden. En mindre kule ved siden av står på en metallstang, dem såkalte samlelederen. Mellom den store metallkulen og samlelederne vil det til slutt oppstå en elektrisk gnist når spenningen blir stor nok.

En elektrostatisk generator eller elektrostatisk maskin er en type generator som produserer statisk elektrisitet, eller elektrisitet med høy spenning og lav strøm.

Kunnskapen om statisk elektrisitet kan dateres tilbake til de tidligste sivilisasjoner, men har i årtusener vært bare en interessant og mystisk fenomen, uten en teori for å forklare oppførsel og ofte forveksles med magnetisme. Ved slutten av 1600-tallet hadde forskere utviklet praktiske metoder for å generere elektrisitet ved friksjon, men utviklingen av elektromaskiner begynte ikke for alvor før på 1800-tallet, da grunnleggende konsepter og fenomener i studiene om den nye vitenskapen om elektrisitet ble kjent. En lang rekke vitenskapsmenn og oppfinnere forbedret de elektrostatiske maskinene frem til de maskinene som fremdeles i dag er i bruk.

Elektriske generatorer opererer generelt ved at mekanisk energi omdannes til elektrisk energi ved hjelp av elektromagnetisk induksjon. Elektrostatisk generatorer utvikler ladning kun ved hjelp av elektriske krefter i kjernepartiklene. De fungerer ved hjelp av bevegelige plater, trommer eller belter, til å fremskaffe elektrisk ladning med en høy elektrisk spenning mellom elektrodene. Ladningen er generert ved hjelp av en av to metoder: enten triboelektrisk effekt (friksjon) eller elektrostatisk induksjon.

Elektrostatisk maskiner brukes i klasseromsundervisning for å demonstrere elektriske krefter og fenomener relatert til høye spenninger. Med de svært høye spenninger som kan oppnås er de også brukt i en rekke praktiske anvendelser, som for eksempel drift av røntgenrør, medisinske anvendelser, sterilisering av mat og eksperimenter innenfor atomfysikk. Elektrostatiske generatorer som Van de Graaff-generator, og forskjellige variasjoner som pelletronen finner også sin anvendelse innenfor forskning. Elektrostatiske generatorer kan deles inn i to hovedkategorier, avhengig av hvordan ladning dannes:

  • Friksjonmaskiner bruker triboelektrisk effekt, elektrisitet generert av kontakt eller friksjon mellom forskjellige stoffer
  • Influensmaskin, også kalt elektrisermaskin, bruker elektrostatisk induksjon.

Historie[rediger | rediger kilde]

Friksjon maskiner[rediger | rediger kilde]

En tidlig friksjonmaskinen med glasskule som var vanlig på 1700-tallet.
Martinus van Marums Store elektrostatiske generator på Teylers Museum i Nederland.

De første elektrostatiske generatorer er kalt friksjonmaskinener på grunn av bruk av friksjon for å generere elektrisitet. En primitiv form for friksjonsmaskinen ble oppfunnet rundt 1663 av Otto von Guericke. Den fungerte ved at en kule av svovel som roterer og ble gnidd for hånd. En kjenner ikke alle detaljer rund denne. Det kan hende at den ikke har blitt rotert under bruk, og at den heller ikke var ment for å produsere elektrisitet, «snarere kosmiske dyder».[1][2][3] Imidlertid virket dens konstruksjon som inspirasjon for mange senere maskiner som brukte roterende kuler. Fysikeren Isaac Newton foreslått bruk av en glasskule i stedet for en kule av svovel. Vitenskapsmannen Francis Hauksbee forbedret den grunnleggende konstruksjonen,[4] med sin friksjonsmaskin der en glasskule ble rotert raskt mot et ulltøy.[5]

Generatorer av denne typen ble ytterligere avansert da professor Georg Matthias Bose fra Wittenberg lagt en «samleleder» bestående av et isolert rør eller sylinder som støttes opp av silkesnorer. Bose var den første til å benytte en «hovedleder» i sammenheng med slike maskiner. Denne bestod av en jernstang som ble holdt i hånden av en assistent som stod på en blokk av harpiks. Dette for å være isolert fra omgivelsene. Jernstangen som ble holdt i hånden av personen ble da akkumulator for ladningene som generatoren produserte. Senere forsøk førte frem til oppfinnelsen av Leidnerflasken av Ewald Georg von Kleist og Pieter van Musschenbroek uavhengig av hverandre i 1745[6]. Eksperimentene med elektriske maskiner gjorde et stort fremskritt på grunn av denne oppdagelsen. Nemlig at en flaske, eller bare en glassplate, som blir belagt med metallfolie på begge sider kan akkumulere elektrisk ladning når den kobles til en spenningskilde.

I 1746 konstruerte fysikeren William Watson en maskin med et stort hjul som fikk flere glasskuler til å rotere. Denne hadde et sverd og en pistol festet i silkesnorer fra maskinens terminaler. Fysikkprofessoren Johann Heinrich Winckler utvidet maskinen med en skinnpute for hånden. I 1746 oppfant vitenskapsmannen Jan Ingenhousz elektriske maskiner med glassplater.[7]

Den elektrostatiske maskinen ble ytterligere forbedret av benkediktermunken og professoren Andrew Gordon som benyttet en glassylinder i stedet for et glasskule. Samt at Giessing i Leipzig som utviklet en «gnider» som bestod av en pute av ullstoff. Den såkalte oppsamleren som består av en serie av metallspisser ble tilføyd av kunstnere og vitenskapsmannen Benjamin Wilson i 1746, og i 1762 kom fysikeren John Canton opp med ideen med å strø tinn på overflaten av gnideren.[8] Matematikeren, astronomen og instrumentmakerne Jesse Ramsden konstruerte i 1768 en mye brukt versjon av en elektrostatisk generator også den med plater.

I 1783 utviklet den forskeren Martin van Marum en stor elektrostatisk maskin av høy kvalitet med glassdisker med en diameter på 1,65 meter til sine eksperimenter. Med denne var han i stand til å produsere spenning med enten positiv eller negativ polaritet. Denne maskinen ble bygget under hans veiledning av instrumentmakeren John Cuthbertson det påfølgende år. Generatoren er i dag utstilt på Teylers Museum i Haarlem, Nederland.

Virkemåten til friksjonsmaskinen[rediger | rediger kilde]

Tilstedeværelsen av en forskjellige overflateladninger betyr at gjenstander vil utvise forskjellige tiltreknings- eller forstøtningskrefter. Denne ubalansen i overflateladning fører til statisk elektrisitet, og kan enkelt genereres ved å trykke eller gni to ulike overflater sammen for deretter å skille dem. Disse fenomenene deles inn i berøringselektrisitet og triboelektrisk effekt.

Gnidning av to ikke-ledende gjenstander genererer en stor mengde statisk elektrisitet. Dette er ikke et resultat av friksjon; de to ikke-ledende overflatene kan bli ladet selv om de bare er plassert ved siden av hverandre. Siden de fleste overflater har en grov tekstur tar det lengre tid å oppnå lading gjennom kontakt enn gjennom gnidning. Gnis legemer mot hverandre øker mengden av klebende kontakt mellom flatene. Vanligvis vil isolatorer, altså stoffer som ikke leder elektrisitet, være gode til både å skape og holde på en overflateladning. Noen eksempler på slike stoffene er gummi, plast, glass og margved (kjernen av vekster). Elektrisk ledende legemer som kommer i kontakt generere ladningsubalanse, men beholder bare sine ladninger hvis de holdes isolert. Ladningen som er overført i løpet av berøringselektrifiseringen blir lagret på overflaten av hvert enkelt legeme.

Selv om det går strøm i en leder forringer dette ikke de elektrostatiske kreftene, gnister, koronautladninger eller andre fenomener. Begge fenomen kan eksistere samtidig i det samme system, for eksempel på høyspentledninger.

Influens maskiner[rediger | rediger kilde]

Et utall av forbedringer[rediger | rediger kilde]

Bruk av en electrophorus som består av en flat "disk" av dielektrisk materiale, som bek eller voks, og en metallplate med et isolert håndtak på toppen av den. Disken blir først lett oppladet ved å gni den med pels (katteskinnet til høyre), deretter settes metallplaten på toppen av det. Ladningen i disken forårsaker at ladning i metallplaten polariseres på grunn av elektrostatisk induksjon. Hvis disken er ladet positivt, oppnår metallplaten positiv ladning på toppen og negativ i bunnen. Når mannen berører platen med en finger blir dens positive elektriske ladning avledet til jordet. Derimot vil metallplatens gjennværende negativ ladning fremdeles være tilstede når den fjernes fra disken.

Friksjonsmaskiner ble med tiden gradvis avløst av den andre klassen av instrumenter nevnt innledningsvis, nemlig influensmaskinene. Disse opererer etter prinsippet om elektrostatisk induksjon og konverterer mekanisk arbeid til elektrostatisk energi ved hjelp av en liten startladning. Denne blir kontinuerlig opprettholdt og forsterket i maskinen. Det første forslaget til en influensmaskin ser ut til å ha vokst ut av fysikeren Alessandro Voltas oppfinnelsen av den såkalte elektrofor. Elektroforen består av en enkelt platekondensator som anvendes for å skape ubalanse i elektrisk ladning via elektrostatisk induksjon.

Neste skritt var da Abraham Bennet, oppfinneren av gullbladelektroskopet, som beskrev en «dobler av elektrisitet». Dette apparatet lignet på en elektrofor, men den kunne forsterke en liten ladning ved hjelp av gjentatte manuelle operasjoner med tre isolerte plater. Resultatet kunne så gjøres observerbart med et elektroskop. Erasmus Darwin, W. Wilson, Gottlieb Christoph Bohnenberger, og J. C. E. Péclet utviklet ulike modifikasjoner av Bennets oppfinnelse. Fysikken og oppfinneren Francis Ronalds automatisert genereringprosessen i 1816 ved å bruke en pendelskive som en av diskene. Denne ble igjen drevet av et urverk eller en dampmaskin. Denne maskinene brukte han til å drive en telegraf.[9][10] Vitenskapsmannen William Nicholson foreslo i 1788 en roterende dobler, som betraktes som den første roterende influensmaskin. Hans instrument ble beskrevet som «et instrument som ved å drive en vinsj produserer de to ladningene av elektrisitet uten friksjon eller kommunikasjon med jorden». Nicholson beskrev senere en innretning basert på en «roterende kondensator» som et instrument for målinger.

Andre, inkludert naturfilosofen og fysikeren Tiberius Cavallo (som utviklet «Cavallo multiplikatoren» i 1795), John Read, Charles Bernard Desormes, og Jean Nicolas Pierre Hachette, utviklet ytterligere forskjellige former for roterende forsterkere. Den tyske vitenskapsmann og predikant Gottlieb Christoph Bohnenberger beskrev i 1798 den såkalte Bohnenbergers-maskin, sammen med flere andre elektrostatiske forsterkere av typen utviklet av Bennet og Nicholson i en bok som han utga. Den mest interessante av disse ble beskrevet i Annalen der Physi i 1801. Fysikkeren Giuseppe Belli utviklet i 1831 en enkel symmetrisk forsterker som besto av to buede metallplater som mellom seg hadde et par plater som roterte rund og var isolert fra resten av maskinen. Det var den første symmetrisk influensmaskin, med identiske utforming for både positive og negative terminaler. Dette apparatet ble forbedret i flere omganger av ingeniøren Cromwell Fleetwood Varley som patentert en høyeffektiv versjon i 1860. En senere forbedringer kom i 1868 da fysikeren Lord Kelvin konstruerte «The Replenisher», og av A D Moore  laget sin «The dirod») enda noe senere. Lord Kelvin utviklet i 1867 også en kombinert influens- og elektromagnetisk maskin. Denne fikk tilnavnet «musemøllen», og var ment for elektrifisering av en «Syphon recorder» en annen maskin i forbindelse med en telegraf. Disse maskinene var igjen i forbindelse med en elektrostatisk vanndråpegenerator som han kalt «vanndråpe kondensator», også kjent som kelvingeneratoren.

Holtz's influensmaskinen

Mellom 1864 og 1880 konstruert og beskrevet den tyske fysikeren Wilhelm Holtz et stort antall influensmaskiner som ble betraktet som de mest avanserte nyskapninger på denne tiden. En av utgavene av Holtz-maskinen var en glassdisk montert på en horisontal aksling som drives rundt med stor hastighet med et gear. I forbindelse med disse var det faste induksjonsplater montert nær de roterende delene.

Wimshurst Machine[rediger | rediger kilde]

Wimshursts influensmaskin.
Wimshursts influensmaskin i drift.

I 1878 benytte oppfinneren James Wimshurst sine studier av en elektrostatisk generatorer, basert på forbedring av Holtz's influensmaskin. Han ville lage en kraftigere versjon med flere disker. Den klassiske Wimshurst maskin ble den mest populære formen for influensmaskin, og ble rapportert inn til vitenskapsmiljøet i 1883. I 1885 ble en stor Wimshurst maskiner bygget i England. Den er nå på Chicago Museum of Science and Industry. Wimshurst's maskin er en enkel maskin som fungerer, som alle influensmaskiner, med elektrostatisk induksjon av ladninger. Det betyr at den setter i gang ladeprosessen selv med en meget lite begynnelsesladning, og skaper stadig større ladninger så lenge maskinen er i drift.


Wimshurst's maskinen er sammensatt av to isolerte disker festet til trinser som roterer i motsatt retning, diskene har små ledende metallsegmenter på de utadvendte sidene, se figur til høyre. Den har videre to børster montert på en stang som ligger mot skivens yterkanter. Disse fungerer som ladestabilisatorer og er også stedet hvor selve den statikse induksjon finner sted. Generering av ny ladning samles inn i to par samlekammere, som er som navnet antyder, samlere av elektrisk ladning som frembringes av maskinen. Dette er to leidnerflasker som akkumulerer ladningen.Siteringsfeil: Ugyldig <ref>-kode; ugyldige navn, f.eks. for mange[11][12][13]

Den enkle oppbygningen og kompontene til Wimshurst's maskin gjør den til en anvendbar innretning for hjemmeeksperimenter.Siteringsfeil: Ugyldig <ref>-kode; ugyldige navn, f.eks. for mange

Maskiner med multiple disker og "triplex" elektrostatiske maskiner ble utviklet rundt begynnelsen av 1900-tallet. I 1900 oppdaget F. Tudsbury at om en generator omsluttes i et metallisk kammer som inneholder trykkluft, eller enda bedre karbondioksid, vil gassens isolerende egenskaper skape en sterkt forbedret maskin på grunn av økningen av gjennomslagsspenningen til den komprimerte gassen, samt en reduksjon av ladningslekkasje på tvers av platene og isolerende støtter. Forbedrede utgaver med roterende disker av ebonitt ble også lansert.

Moderne elektrogeneratorer[rediger | rediger kilde]

Elektrostatiske generatorer hadde en fundamental rolle i undersøkelsene av materiens oppbygging og natur på slutten av 1800-tallet. I 1920-årene var det tydelig at elektrostatiske maskiner som var i stand til å produsere større spenninger var nødvendig å få utviklet. Utviklingen av Van de Graaff-generatoren ble startet i 1929 ved MIT. Den første modellen som ble fremvist i oktober 1929. Den grunnleggende ideen var å bruke et isolerende belte (ladningstransportbelte) for å transportere elektrisk ladning til det indre av en isolert hul terminal, hvor det kan slippes ut uten hensyn til det potensialet som allerede finnes på terminalene. Ideen var ikke ny, men ved å anvende en elektrisk motor for drive rundt beltet var en fundamental forbedring. Den første maskinen benyttet et silkebånd som belte. I 1931 ble en slik generator i stand til å produsere en spenning på 1 000 000 volt, noe som er beskrevet i en patentbeskrivelsen.

Nikola Tesla skrev en artikkel i Scientific American med tittel «Muligheter for elektrostatisk Generatorer» i 1934 om Van de Graaff generator.[14] Tesla uttalte: «Jeg tror at når nye typer av Van de Graaff-generatorer er utviklet og tilstrekkelig forbedret vil de få en stor fremtid». Høyeffektive maskiner ble snart utviklet, det ble blant annet arbeidet med trykkbeholdere for å gi større ladningskonsentrasjon på flatene uten at ionisering oppstår. Varianter av Van de Graaff-generatorer ble også utviklet for forskning innenfor fysikk, som Pelletronen, som bruker som kjede med vekslende isolering og gjennomgående elektriske forbindelser for ladningstransport. Forenklede Van de Graaff-generator blir ofte brukt under demonstrasjoner av statisk elektrisitet, på grunn av sin evne til å skape høye spenninger uten personrisiko. Disse enkle maskinene kan gi en spektakulær effekten ved at håret på personer som berører terminalen, og som står på en isolerende flate, står rett ut.

Mellom 1945 og 1960 utviklet den franske forskeren Noël Felici en serie med høyeffektive elektrostatiske generatorer. Disse var basert på elektrisk eksitasjon og bruk av roterende sylindere med høy hastighet og hydrogen i trykkbeholdere.

Se også[rediger | rediger kilde]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Heathcote, N. H. de V. (1950) "Guericke's sulphur globe", Annals of Science, 6: s293-305.
  2. ^ Zeitler, Jürgen (2011) "Guerickes Weltkräfte und die Schwefelkugel", Monumenta Guerickiana 20/21: s. 147-156.
  3. ^ Schiffer, Michael Brian (2003). Bringing the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment. Univ. of California Press. ISBN 0-520-24829-5. , s.18-19
  4. ^ Hauksbee, Francis (1709). Psicho-Mechanical Experiments On Various Subjects. R. Brugis. 
  5. ^ Stephen Pumfrey, ‘Francis Hauksbee (bap. 1660, died 1713)’, Oxford Dictionary of National Biography, Oxford University Press, May 2009
  6. ^ Biography, Pieter (Petrus) van Musschenbroek
  7. ^ Consult Dr. Carpue's 'Introduction to Electricity and Galvanism,' London 1803.
  8. ^ Maver, William Jr.: "Electricity, its History and Progress", The Encyclopedia Americana; a library of universal knowledge, vol. X, pp. 172ff. (1918). New York: Encyclopedia Americana Corp.
  9. ^ Ronalds, B.F. (2016). Sir Francis Ronalds: Father of the Electric Telegraph. London: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4. 
  10. ^ Ronalds, B.F. (2016). «Sir Francis Ronalds and the Electric Telegraph». Int. J. for the History of Engineering & Technology. doi:10.1080/17581206.2015.1119481. 
  11. ^ «MIT Physics Demo - Wimshurst Machine». 
  12. ^ «Wimshurst Machine - fra Eric Weisstein World of Physics». 
  13. ^ «Jake Wimshurst Machine og hvordan du kan bygge den! (Del 1)». 
  14. ^ (Scientific American 1934 s. 132-134 og 163-165)

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • Gottlieb Christoph Bohnenberger: Description of different electricity-doubler of a new device, along with a number of experiments on various subjects of electricity, etc.. Tübingen 1798.
  • William Holtz: On a new electrical machine .. In: Johann Poggendorff, CG Barth (Eds.): Annals of physics and chemistry. 126, Leipzig 1865, p. 157 - 171st
  • William Holtz: the higher charge on insulating surfaces by side pull and the transfer of this principle to the construction of induction machines .. In: Johann Poggendorff, CG Barth (eds): Annals of physics and chemistry. 130, Leipzig 1867, p. 128 - 136
  • William Holtz: The influence machine. In: F. Poske (Eds.): Annals of physics and chemistry. Julius Springer, Berlin 1904 (seventeenth year, the fourth issue).
  • O. Lehmann: Dr. J. Frick's physical technique. 2, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1909, p. 797 (Section 2).
  • F. Poske: New forms of influence machines .. In: F. Poske (eds) for the physical and chemical education. journal Julius Springer, Berlin 1893 (seventh year, second issue).
  • C. L. Stong, "Electrostatic motors are powered by electric field of the Earth". October, 1974. (PDF)
  • Oleg D. Jefimenko, "Electrostatic Motors: Their History, Types, and Principles of Operation". Electret Scientific, Star City, 1973.
  • George William Francis (author) and Oleg D. Jefimenko (editor), "Electrostatic Experiments: An Encyclopedia of Early Electrostatic Experiments, Demonstrations, Devices, and Apparatus". Electret Scientific, Star City, 2005.
  • V. E. Johnson, "Modern High-Speed Influence Machines; Their principles, construction and applications to radiography, radio-telegraphy, spark photography, electro-culture, electro-therapeutics, high-tension gas ignition, and the testing of materials". ISBN B0000EFPCO
  • Alfred W. Simon, "Quantitative Theory of the Influence Electrostatic Generator". Phys. Rev. 24, 690–696 (1924), Issue 6 – December 1924.
  • J. Clerk Maxwell, Treatise on Electricity and Magnetism (2nd ed.,Oxford, 1881), vol. i. p. 294
  • Joseph David Everett, Electricity (expansion of part iii. of Augustin Privat-Deschanel's "Natural Philosophy") (London, 1901), ch. iv. p. 20
  • A. Winkelmann, Handbuch der Physik (Breslau, 1905), vol. iv. pp. 50–58 (contains a large number of references to original papers)
  • J. Gray, "Electrical Influence Machines, Their Historical Development and Modern Forms [with instruction on making them]" (London, I903). (J. A. F.)
  • Silvanus P. Thompson, The Influence Machine from Nicholson -1788 to 1888, Journ. Soc. Tel. Eng., 1888, 17, p. 569
  • John Munro, The Story Of Electricity (The Project Gutenberg Etext)
  • A. D. Moore (Editor), "Electrostatics and its Applications". Wiley, New York, 1973.
  • Oleg D. Jefimenko (with D. K. Walker), "Electrostatic motors". Phys. Teach. 9, 121-129 (1971).
  • W. R. Pidgeon, "An Influence-Machine". Proc. Phys. Soc. London 12(1)1 (October 1892) 406–411 and 16(1) (October 1897) 253–257.

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]