Elektrostatisk generator

En Van de Graaff-generator, for demonstrasjoner i klasseromsundervisning. Den består en stor metallkule på en søyle av klar plast, og inne i plassøylen kan et gummibelte sees. Gummibeltet drives rundt med en liten elektromotor på siden. En mindre kule ved siden av står i enden av en metallstang, dem såkalte samlelederen. Mellom den store metallkulen og samlelederen 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 et interessant og mystisk fenomen, uten en teori for å forklare det som skjer, og ofte forvekslet 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 studiet av den nye vitenskapen om elektrisitet ble kjent. En lang rekke vitenskapsmenn og oppfinnere forbedret de elektrostatiske maskinene frem til de maskinene som nå er i bruk.

Elektriske generatorer opererer generelt ved at mekanisk energi omdannes til elektrisk energi ved hjelp av elektromagnetisk induksjon. Elektrostatiske generatorer utvikler ladning kun ved hjelp av elektriske krefter i elementærpartiklene. De fungerer ved hjelp av bevegelige plater, trommer eller belter for å fremskaffe elektrisk ladning med en høy elektrisk spenning mellom elektrodene. Ladningen er generert ved hjelp av en av to metoder:

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

Elektrostatiske 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-generatoren, og forskjellige varianter som pelletronen finner også sin anvendelse innenfor forskning.

Historie

Friksjonmaskiner

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 friksjonsmaskin ble oppfunnet rundt 1663 av Otto von Guericke. Den fungerte ved at en kule av svovel dreies rundt eller blir gnidd for hånd. En kjenner ikke alle detaljer rundt denne. Det kan hende at den ikke ble dreid rundt under bruk, og at den heller ikke var ment for å produsere elektrisitet, «snarere kosmiske dyder». Imidlertid virket dens konstruksjon som inspirasjon for mange senere maskiner som brukte roterende kuler. Fysikeren Isaac Newton foreslo bruk av en glasskule i stedet for en kule av svovel. Vitenskapsmannen Francis Hauksbee forbedret den grunnleggende konstruksjonen med sin friksjonsmaskin der en glasskule roterte raskt mot et ulltøy.

Generatorer av denne typen ble ytterligere forbedret 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 sto 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. Eksperimentene med elektriske maskiner gjorde et stort fremskritt på grunn av denne oppdagelsen: at en flaske, eller bare en glassplate, som er 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 generatorer med roterende glassplater.

Den elektrostatiske maskinen ble ytterligere forbedret av benediktinermunken og professoren Andrew Gordon som benyttet en glassylinder i stedet for et glasskule. Samt av Giessing i Leipzig, som utviklet en «gnier» som bestod av en pute av ullstoff. Den såkalte oppsamleren som består av en serie av metallspisser, ble tilføyd av kunstneren og vitenskapsmannen Benjamin Wilson i 1746, og i 1762 kom fysikeren John Canton opp med ideen med å strø tinn på overflaten av gnideren. Matematikeren, astronomen og instrumentmakeren 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 glasskiver 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

Tilstedeværelsen av forskjellige overflateladninger betyr at gjenstander vil få 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 tiltrekningen 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, genererer 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 fenomenene kan eksistere samtidig i det samme systemet, for eksempel på høyspentledninger.

Influensmaskiner

Et utall av forbedringer

Bruk av en elektrofor, som består av en flat isolatorplate av dielektrisk materiale, som bek eller voks, og en metallplate med et isolert håndtak på toppen av den. Isolatorplaten blir først lett oppladet ved at den gnis med pels (katteskinnet til høyre). Deretter settes metallplaten oppå den. Ladningen i isolatorplaten forårsaker at ladningen i metallplaten polariseres på grunn av elektrostatisk induksjon. Hvis isolatorplaten er positivt ladet, oppnår metallplaten positiv ladning på toppen og negativ i bunnen. Når mannen berører platen med en finger, blir metallplatens positive elektriske ladning avledet til jord. Derimot vil metallplatens gjenværende negative ladning fremdeles være tilstede når metallplaten fjernes fra isolatorplaten.

Friksjonsmaskiner ble med tiden gradvis avløst av den andre klassen av instrumenter nevnt innledningsvis, nemlig influensmaskinene. Disse opererer etter prinsippet om elektrostatisk induksjon og omdanner 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 være en videreutvikling av fysikeren Alessandro Voltas oppfinnelse 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 gullblad-elektroskopet, 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. Fysikeren og oppfinneren Francis Ronalds automatiserte genereringprosessen i 1816 ved å bruke en pendelskive som en av skivene. Denne ble igjen drevet av et urverk eller en dampmaskin. Denne maskinene brukte han til å drive en telegraf. 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 forbindelse med jord». Nicholson beskrev senere en innretning basert på en «roterende kondensator» som et måleinstrument.

Andre, inkludert naturfilosofen og fysikeren Tiberius Cavallo (som utviklet «Cavallo-multiplikatoren» i 1795), John Read, Charles Bernard Desormes, og Jean Nicolas Pierre Hachette, utviklet flere andre former for roterende forsterkere. Den tyske vitenskapsmannen og predikanten Gottlieb Christoph Bohnenberger beskrev i 1798 den såkalte Bohnenberger-maskinen, 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 Physik i 1801. Fysikeren Giuseppe Belli utviklet i 1831 en enkel symmetrisk forsterker som bestod av to buede metallplater som mellom seg hadde et par roterende plater som var isolert fra resten av maskinen. Det var den første symmetriske influensmaskinen, med identisk 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 forbedring kom i 1868 da fysikeren Lord Kelvin konstruerte «The Replenisher», og av A. D. Moore som 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 forbundet med en telegraf. Disse maskinene var igjen forbundet med en elektrostatisk vanndråpegenerator som han kalte «vanndråpe-kondensatoren», også kjent som kelvingeneratoren.

Holtz's influensmaskinen

Mellom 1864 og 1880 konstruerte og beskrev 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 loddrett glasskive som drives rundt med stor hastighet med en drivreim. I forbindelse med disse var det faste induksjonsplater montert nær de roterende delene.

Wimshurst-maskinen

Wimshursts influensmaskin.

Wimshursts influensmaskin i drift.

I 1878 begynte oppfinneren James Wimshurst sin utvikling av en elektrostatisk generator, basert på forbedringer av Holtz's influensmaskin. Han ville lage en kraftigere versjon med flere skiver. Den klassiske Wimshurst-maskinen ble den mest populære formen for influensmaskin, og ble rapportert inn til vitenskapsmiljøet i 1883. I 1885 ble en stor Wimshurst-maskinen 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 liten begynnelsesladning, og skaper stadig større ladninger så lenge maskinen er i drift.

Wimshurst-maskinen er sammensatt av to isolerte skiver festet til trinser som roterer i motsatt retning, Skivene har små ledende metallsegmenter på de ytre sidene - se figur til høyre. Den har videre to børster montert på en stang som ligger mot skivens ytterkanter. Disse fungerer som ladestabilisatorer og er også stedet hvor selve den statiske induksjonen finner sted. Generering av ny ladning samles inn i to par samlekammere, som er - som navnet antyder - samlere av den genererte elektriske ladningen. Dette er to leidnerflasker som lagrer ladningen.

Enkelheten til oppbygningen og komponentene til Wimshurst's maskin gjør den til en anvendbar innretning for hjemmeeksperimenter.

Maskiner med flerdoble skiver og "triplex" elektrostatiske maskiner ble utviklet rundt begynnelsen av 1900-tallet. I 1900 oppdaget F. Tudsbury at om en generator omsluttes av 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 skiver av ebonitt ble også lansert.

Moderne elektrogeneratorer

Elektrostatiske generatorer hadde en fundamental rolle i undersøkelsene av materiens oppbygging og natur på slutten av 1800-tallet. I 1920-årene var det behov for å få utviklet elektrostatiske maskiner som kunne produsere større spenninger. Utviklingen av Van de Graaff-generatoren ble startet i 1929 ved MIT. Den første modellen 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 ladningen kan slippes ut uten å bli hindret av potensialet som allerede finnes på terminalen. Ideen var ikke ny, men 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 i 1934 en artikkel i Scientific American med tittelen «Muligheter for elektrostatiske generatorer». Den omhandlet Van de Graaff-generatoren. 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. Denne bruker en 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 effekt 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 de gikk i trykkbeholdere med hydrogen.

Se også

• Elektromotor

Litteratur

• 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

• Antonio Carlos M. de Queiroz, "Electrostatic Machines".
• "Virkemåten til Wimshurst-maskinen".
• "Doublers of Electricity", 2007 Phys. Educ. 42 156-162.
• American Museum of Radio: Elektrostatiske maskiner
• "Articles on Electrostatics from those that actually made the discoveries". Eksperimenter med generering av elektrisitet.
• Sir William Thomson (Lord Kelvin), "On Electric Machines Founded on Induction and Convection". Philosophical Magazine, January 1868.
• William J. Beaty, "'Kelvin's Thunderstorm'; Lord Kelvin's water-drop electrostatic generator". 1995.
• M. Hill and D. J. Jacobs, "A novel Kelvin Electrostatic Generator", 1997 Phys. Educ. 32 60-63.
• Paolo Brenni (Author) and Willem Hackmann (Editor), "The Van de Graaff Generator: An Electrostatic Machine for the 20th Century". Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 63 (1999)
• Nikola Tesla, "Possibilities Of Electrostatic Generators". Scientific American, March 1934. (ed., Available .doc format)
• Lyonel Baum, "1,000,000 Volts, Felici's electrostatic generator". 2000.