Генератор на лезвии бритвы

То, что статическое электричество долго не находило полезного практического применения, любопытным образом отразилось на судьбе электростатических генераторов. В то время как электромагнитные устройства и приборы быстро покидали стены лабораторий и, обретая «машинный» облик, утверждались на телеграфах, заводах и электростанциях, электростатические устройства прозябали на полках учебных кабинетов.

Конечно, нельзя сказать, чтобы они совсем не совершенствовались: между лейденской банкой, заряжаемой натертой мехом стеклянной палочкой, и всем знакомой школьной электрофорной машиной дистанция огромного размера. Но ни стеклянной палочки и меха, ни электрофорной машины не сыскать нигде, кроме учебных физических кабинетов: источники статического электричества почти полтора столетия совершенствовались не как промышленные аппараты, а как демонстрационные приборы.

Так, на смену машинам, в которых стеклянные шары, цилиндры и диски электризовались трением о шерсть или кожаные подушки, пришли так называемые «индукционные» машины. В основе их действия лежало явление, открытое Вольта и не имеющее никакого отношения к той «индукции», которая составила славу Фарадея.

Вольта заметил, что если, например, к положительно заряженной пластине близко, но не до соприкосновения поднести металлический диск, изолированный от земли, то на его поверхности, обращенной к заряженной пластинке, соберутся отрицательные заряды. Заряды же положительные, стремясь удалиться от одноименных зарядов пластины, соберутся на внешней стороне.

Если ненадолго заземлить эту внешнюю сторону, положительные заряды уйдут в землю, и диск, даже выведенный из поля пластины, окажется заряженным отрицательно. Разрядив его на лейденскую банку, можно снова и снова повторять всю эту операцию, во время которой первоначально сообщенный пластине заряд сам не расходуется, но непрерывно «индуцирует» — наводит — заряд в металлическом диске.

Первая машина, в которой все эти операции выполнялись авгоматически, была сооружена в 1831 году итальянцем Белли. Потом ее усовершенствовали немецкие физики Теплер и Гольц, и, наконец, в 1870-х годах появилась индукционная электрофорная машина Уимшерста, украшающая ныне школьные физические кабинеты.

Изучение электрического разряда в разреженных газах дало первый толчок совершенствованию электростатических генераторов, и оказалось максимум, что можно было выжать из многодисковых машин, это 300 тыс. в и 1,2 квт.

Изучение атомного ядра, потребовавшее еще больших напряжений, привело к появлению новых конструкций. В сущности, генераторы Ван де Граафа и Феличи, созданные соответственно в 1930-х и 1940-х годах, принципиально не отличались друг от друга. Сердцем каждого из них был огромный полый металлический шар, надежно изолированный от земли, на внутреннюю поверхность которого непрерывно подводился электрический заряд. Только Ван де Грааф для подвода заряда использовал ленту на двух вращающихся шкивах, а Феличи — быстро вращающийся пластмассовый цилиндр.

Первый генератор Ван де Граафа, с лентой, электризуемой путем индукции, был пущен в 1936 году и при мощности 6 квт дал напряжение 5 млн. в. Позднее для электризации лент и цилиндров стали применять коронный разряд, и к 1950-м годам в распоряжении ученых находились генераторы двух типов.

Генераторы Ван де Граафа давали высокие напряжения — до 10—15 млн. в — при малых токах до 1000 ца, а генераторы Феличи, наоборот, давали сравнительно большие токи — до 10 тыс. ца — при меньших напряжениях, до 1 млн. в. Но какой дорогой ценой достаются эти характеристики!

Во-первых, размеры. Генератор мощностью в несколько десятков киловатт представляет собой сооружение высотой 5—10 м. Во-вторых, вблизи сферического электрода, на котором накапливается заряд, тоже возникает «корона». Для ее подавления приходится помещать всю установку в герметичный стальной кожух, наполненный газом под высоким давлением. Так, генераторы Ван де Граафа наполняются смесью азота и углекислоты под давлением 30 атм, а генераторы Феличи — водородом под давлением 25 атм. В-третьих, сравнительно быстрый износ лент и цилиндров приводит к загрязнению внутренних полостей генератора пылью

Не очень существенные, когда речь идет об уникальных генераторах для научных исследований, эти недостатки становятся нетерпимыми для промышленных генераторов, которые должны надежно работать в течение длительного времени. Вот почему в последние годы электротехники все больше и больше внимания уделяют разработке более дешевых, надежных, мощных и компактных генераторов, прежде всего электрогидродинамических.

Действительно, движущуюся заряженную ленту или вращающийся цилиндр можно заменить потоком заряженной диэлектрической жидкости. Неся заряд во всем своем объеме, такой поток должен создавать гораздо больший ток, чем лента или цилиндр, в которых заряд расположен лишь на поверхности.

Главной трудностью при создании электростатического генератора, работающего на потоке углеводорода — гексана, оказалось сообщение электрического заряда жидкости. Поскольку обычные методы электризации — коронный разряд и радиоактивное излучение — вызывали нежелательное изменение свойств гексана, исследователям пришлось искать что-нибудь получше.

Опытный образец устройства, послужившего основой для дальнейших разработок, представлял собой трубу, в которую был вставлен катод — набор тонких стальных лезвий. К остриям лезвий с небольшим зазором примыкал анод-сетка, за которой располагался коллектор генератора.

Когда насос начинал прокачивать через трубку гексан, к лезвиям и к сетке прикладывалось высокое напряжение, под действием которого электроны стекали с лезвий в толщу движущейся жидкости и сообщали ей заряд, исчисляемый сотнями микроампер. Часть этих зарядов тут же оседала на положительно заряженной сетке, а остаток потоком жидкости проносился сквозь нее к коллектору, на котором и происходило накопление заряда.

Основным недостатком такой схемы была непроизводительная нейтрализация «впрыснутых» в жидкость зарядов на сетке. Поэтому в следующей конструкции острия лезвий были расположены по стенкам трубы вдоль потока жидкости, а сетка была свернута в трубочку и помещена вдоль оси трубы. Теперь отрицательные заряды, стекавшие с лезвий, не успевали нейтрализоваться — поток уносил их к коллектору быстрее, чем они могли достичь сетки.

При испытании первой опытной модели электрогидродинамического генератора, созданной в Англии, обнаружилась любопытная вещь. По мере того, как заряд накапливается на коллекторе, его электрическое поле все сильнее и сильнее сопротивляется притоку новых зарядов. Потом наступает момент, когда заряды вовсе перестают достигать коллектора и начинают скапливаться на выходе из инжектора. А поскольку одноименные заряды отталкиваются друг от друга, они начинают двигаться к стенкам трубы и в конце концов разрывают ее.

Именно опасность механического разрушения ограничила максимальное напряжение опытной модели 400 тыс. в. Зато следующая модель, в конструкцию которой были внесены соответствующие изменения, позволила создавать максимальное напряжение в 2 млн. в. Насос этого электрогидродинамического генератора приводился в действие мотором в 10 л. с, а скорость потока в рабочей части составляла 5 м/сек.

По мнению специалистов, в настоящее время уже накоплен опыт, достаточный для того, чтобы приступить к созданию первых промышленных электрогидродинамических генераторов.

Дата добавления: 2014-01-06