Электростатические машины

CU-диаграмма работы электростатической машины

Электростатические машины работают, как правило, циклически, причём их действие может быть представлено на диаграмме в осях ёмкость—напряжение (C—U)[2]. Наиболее абстрактно рассуждая, их действие состоит в механическом переносе заряда небольшими дискретными порциями от источника с низким потенциалом (возбудителя) к приёмнику-накопителю с высоким потенциалом.

Предположим, что накопитель изначально разряжен, одна из рабочих обкладок неподвижна и заземлена. Таким образом рассуждения упрощаются, потенциалы отсчитываются от заземлённой обкладки.

В точке A диаграммы на некоторую наибольшую для машины ёмкость ${\displaystyle C_{1}}$ попадает от источника с низким потенциалом ${\displaystyle U_{1}}$ заряд ${\displaystyle q_{1}=C_{1}U_{1}}$. Ёмкость эта представлят собой конденсатор с подвижными обкладками, которые начинают удаляться друг от друга, и разность потенциалов растёт. В некоторой точке одна из обкладок соединяется с высоковольтным накопителем заряда при потенциале ${\displaystyle U_{2}}$ и при ёмкости ${\displaystyle C_{2}=C_{1}{U_{1} \over U_{2}}}$, начиная с точки B, заряд начинает стекать в накопитель. Стекание продолжается до точки D при наименьшей ёмкости ${\displaystyle C_{3}}$ и постоянном потенциале ${\displaystyle U_{2}}$ (ёмкость накопителя велика по сравнению с ${\displaystyle C_{3}}$). Таким образом, в накопитель отправляется порция заряда ${\displaystyle \delta q=(q_{1}-q_{2})=(C_{2}-C_{3})U_{2}}$[2].

В точке D подвижная обкладка с остаточным зарядом ${\displaystyle q_{2}=C_{3}U_{2}}$ отсоединяется от накопителя и начинает движение обратно к соединению с низковольтным источником при потенциале ${\displaystyle U_{1}}$ и, начиная от точки E, по мере роста ёмкости до ${\displaystyle C_{1}}$ заряжается до ${\displaystyle q_{1}=C_{1}U_{1}}$. Цикл замкнулся, порция заряда ${\displaystyle \delta q=q_{1}-q_{2}}$ прошла разность потенциалов ${\displaystyle U_{1}-U_{2}}$[2].

С точки зренния энергетики процесса, машина переносит во внешнюю цепь энергию от источника низкого потенциала ${\displaystyle W_{1}=\delta qU_{1}}$ и механическую работу ${\displaystyle W=\delta q(U_{2}-U_{1})}$. Если ${\displaystyle C_{2}\ll C_{1}}$ то ${\displaystyle U_{2}\gg U_{1}}$ и ${\displaystyle W_{1}\ll W}$, то есть энергия получается, в основном, за счёт механической работы[2] .

• с жёсткими роторами (цилиндры, диски) — машины Тёплера, Гольца, Уимсхёрста, Воммельсдорфа;
• с гибкими лентами и цепями — генератор Ван-де-Граафа, пеллетрон;
• с капельным и пылевым переносом — капельница Кельвина.
• другие.

Обычные машины с невысоким рабочим напряжением работают в воздухе. Для уменьшения габаритов изоляторов, высоковольтные машины могут помещаться в среду сухого газа под повышенным давлением. Существуют и вакуумированные конструкции[2].

Для снижения потерь на коронный разряд в конструкции машин избегают всяких углов и острий (например, генератор Ван-де-Граафа с электродом-шаром диаметром 80 см позволяет накопить потенциал до 750 кВ, после чего начинается коронный разряд)[4].

• электростатическое осаждение: электрогазоочистка, порошковая окраска, электросепарация;
• испытание электроустановок на пробой изоляции, испытания молниезащиты;
• лекционные демонстрации в курсе физики[1];
• питание ускорителей заряженных частиц.

• Поль Р. В. Учение об электричестве = Elektrizitätslehre von Robert Wichard Pohl (рус.) / пер. с нем. Л. А. Тумермана. — Москва: Физматгиз, 1962. — 516 с. — 35 000 экз.
• Физический энциклопедический словарь (рус.) / гл. ред. Б. А. Введенский, Б. М. Вул. — Москва: Советская энциклопедия, 1966. — Т. 5 Спектр—Яркость. — С. 518—519. — 576 с. — 55 000 экз.