Đề tài Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện

Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1 Mục lục I. Lịch sử ra đời máy phát tĩnh điện. 1. Máy phát tĩnh điện Wimshurst. 2. Máy phát tĩnh điện Van de Graaff. II. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của máy phát Van de Graaff. 1. Thành phần cấu tạo. 2. Nguyên lí hoạt động. III. Các nguyên nhân hạn chế việc tích điện. IV. Sơ lược về các loại máy Van de Graaff. 1. Máy phát tĩnh điện loại nhỏ. 2. Máy phát tĩnh điện loại lớn. 3. Máy Tandem V. Ưu nhược điểm và ứng dụng của máy phát tĩnh điện. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2 I. Lịch sử ra đời. Các máy phát điện đầu tiên đã sử dụng dựa vào nguyên lý tĩnh điện trước khi con người khám phá ra từ tính và điện năng. Wimshurst là máy phát điện dựa vào nguyên lý tĩnh điện còn Van de Graaff thì dựa vào một trong hai cơ cấu đó là “Điện tích truyền từ điện cực có điện áp cao” và “Điện tích tạo ra bởi sự ma sát”. 1. Máy phát tĩnh điện Wimshurst. Máy phát tĩnh điện Wimshurst gồm có 3 bộ phận chính: 1. Hai đĩa làm bằng chất cách điện tốt, trên mặt ngoài của đĩa có dán các lá nhôm mỏng cách đều nhau. Hai đĩa được đặt song song, đồng trục và quay ngược chiều nhau nhờ một cơ cấu truyền động gồm tay quay, các dây đai cao su. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 3 2. Hai thanh trung tính: Thanh trung tính là vật dẫn điện, hai thanh trung tính được gắn cố định vào trục của hai đĩa. Ở hai đầu mỗi thanh trung tính có hai chổi kim loại (thường làm bằng các dây dẫn mảnh và đàn hồi tốt), hai chổi này luôn trượt sát trên bề mặt đĩa khi đĩa quay. 3. Hai cần gom điện tích: Mỗi cần gom điện tích dạng hình chữ U, ở hai nhánh có hai mũi nhọn đối diện nhau; các mũi nhọn này rất gần với các lá nhôm trên hai mặt ngoài của hai đĩa, nhưng không tiếp xúc với chúng. Điện tích tạo ra do ma sát sẽ được truyền từ lá nhôm qua các cần gom điện tích và được tích điện cho quả cầu kim loại. 2. Máy phát tĩnh điện Van de Graaff.  Ý tưởng của Lord Kelvin: Sử dụng một vỏ cầu rỗng bằng kim loại có bán kính R được tích điện thông qua một chất lỏng. Các giọt chất lỏng từ độ cao h được tích điện bởi một hiệu điện thế V0 và nhỏ vào vỏ quả cầu qua một lỗ nhỏ. Khi các giọt chất lỏng rơi vào trong vỏ cầu dẫn điện thì chúng sẽ truyền toàn bộ điện tích mà chúng có được cho vỏ cầu này. Tuy nhiên, vỏ cầu tích điện sẽ gây ra một lực đẩy tĩnh điện ngược lại đối với các giọt chất lỏng tiếp theo rơi xuống vào trong vỏ cầu này. Đến một thời điểm nào đó các giọt chất lỏng không thể lọt vào vỏ cầu được nữa, ngay cả khi vỏ cầu chưa chứa đầy chất lỏng. Lúc Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 4 này vỏ cầu sẽ không được tích thêm điện nữa và vỏ cầu đạt được điện thế cực đại.  Máy phát Van de Graaff ra đời, gọi theo tên của Robert J. Van de Graaff, người đầu tiên đưa ý tưởng của Lord Kelvin vào ứng dụng thực tế. Năm 1931, Van de Graaff chế tạo máy phát điện mang tên ông tại viện công nghệ Massachusett, Mỹ. Ban đầu các máy này được sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu các tia X năng lượng cao và gia tốc các hạt hạ nguyên tử. Ngày nay, máy này được trưng bày trong giảng đường điện Thomson tại Bảo tàng khoa học Boston, Mỹ. Máy gồm hai trụ, mỗi trụ có một quả cầu bằng nhôm rỗng với đường kính 4,7 mét đặt trên đỉnh. Ban đầu hai quả cầu được tích điện trái dấu, dẫn đến sự phóng điện như tia sét 5 triệu volt. Ngày nay cả hai quả cầu được nối với nhau và phóng điện vào cầu trụ và que nối đất hơn là phóng điện với nhau. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 5 II. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của máy phát tĩnh điện Van de Graaff. 1. Thành phần cấu tạo:  Biến thế T: Dùng để tạo điện thế.  Bộ phận chỉnh lưu K: Dùng để tạo dòng điện một chiều.  Tụ C: San phẳng dạng điện áp sau chỉnh lưu, giúp cân bằng điện tích.  B là quả cầu kim loại rỗng (điện cực điện thế cao) được nối với điện cực điện thế thấp (đất) qua băng tải A được làm bằng vật liệu cách điện.  O1, O2 là 2 con lăn giúp băng tải chuyển động.  O, D là 2 mũi nhọn dùng để truyền điện tích. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 6 2. Nguyên lí hoạt động: Biến thế T tạo ra điện thế một vài chục kV. Để có điện áp một chiều ta nối thêm chỉnh lưu K và tụ C giúp cân bằng điện tích. Qua mũi nhọn O điện tích được truyền lên băng tải A tại đầu điện thế thấp (đất) và được truyền đến cực kia. Để tích điện liên tục băng tải A được chuyển động liên tục trên trục P nhờ hai con lăn O1, O2. Qua mũi nhọn D, điện tích được chuyển từ băng tải A sang quả cầu B. Các điện Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 7 tích tích tụ tại bề mặt quả cầu nâng điện thế lên cho đến khi dòng điện rò từ B ra xung quanh bằng với dòng điện do băng tải A cung cấp. III. Các nguyên nhân hạn chế việc tích điện.  Quả cầu không được hoàn toàn cách điện, hiện tượng rò rỉ qua phần cách điện gắn quả cầu.  Phóng điện trong không khí do có độ ẩm.  Độ thô ráp của quả cầu.  Kích thước của quả cầu cũng ảnh hưởng đến việc nâng cao điện áp. Biện pháp khắc phục:  Độ rò rỉ điện tích càng lớn khi điện áp càng cao, vì vậy phải tích điện liên tục cho quả cầu.  Chọn quả cầu có độ dẫn điện, độ nhẵn cao, kích thước lớn.  Sử dụng khí trơ để hạn chế rò rỉ và đánh thủng cách điện, máy được đặt trong vỏ bọc chứa khí trơ có áp suất cao. IV. Sơ lược các loại máy Van de Graaff  Máy phát tĩnh điện loại nhỏ Trên hình là máy phát tĩnh điện loại nhỏ, đường kính 2 mét. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 8  Máy phát tĩnh điện loại lớn.  Gồm có 2 quả cầu, trong đó một quả tích điện dương, một quả tích điện âm.  Đường kính mỗi quả cầu khoảng 4,5 mét.  Điện thế giữa chúng lên đến 5 triệu vôn. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 9 Ta biết rằng khí trơ có độ bền cách điện cao hơn không khí rất nhiều vì vậy người ta cho máy phát tĩnh điện vào trong một vỏ bọc chứa khí trơ dưới áp suất lên đến 15 atm. Thông thường vỏ bọc chứa khí SF6 ở áp suất cao để tăng sự cách điện giữa điện cực điện thế cao với đất. Đối với các máy Van-de-Graaff loại tốt nhất, thế phóng điện không vượt quá chục triệu volt, chùm ion điện tích trên một đơn vị có năng lượng không vượt quá 20 MeV, thông thường có năng lượng khoảng 2-5 MeV. Dòng của chùm hạt khá lớn, đạt đến vài trăm A . Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 10  Máy gia tốc tĩnh điện Tandem. Trong máy tandem sử dụng hiện tượng tái tích điện (thay đổi dấu điện tích) của các ion. Nguyên lí: Các điện cực đầu vào và ra khỏi ống chân không ở điện thế đất, và đầu thế cao được đặt ở giữa ống. Bên trong một thể tích nhỏ ở đầu vào của ống, chất khí bị ion hóa, thường là bởi sự phóng điện, và từ thể tích này các ion tích điện âm đơn lẻ được trích ra. Những ion này được gia tốc bên trong ống về phía đầu thế cao, nơi đó hai hay nhiều hơn electron bị bóc khỏi mỗi ion khi nó truyền qua một lá kim loại rất mỏng hoặc một vùng chứa đầy chất khí. Điện tích của ion vì vậy thay đổi từ âm sang dương, và ion bị đẩy ra xa cực thế đó và gia tốc về phía đầu ra của ống, nối với đất. Tìm hiểu về máy phát tĩnh điện Vũ Quang Nam-Điện 01-K57 Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 11 Chẳng hạn các ion H- được gia tốc theo phương đến điện cực dương có điện thế cao. Tại điện cực này các ion H- bị tán xạ lên một bia mỏng một số lớn các ion bị mất hai electron và trở thành proton tích điện dương H+. Các proton này lại bị điện cực dương đẩy tức là chúng bị gia tốc thêm một lần nữa. Kết quả là nhận được dòng hạt có năng lượng gấp đôi. Hình ảnh: Một trong những máy gia tốc tandem lớn nhất được dùng trong nhiều năm ở Daresbury ở Anh. Ống gia tốc của nó, được đặt thẳng đứng, dài 42m và cực trung tâm có thể giữ điện thế lên đến 20 triệu volt. V. Ưu, nhược điểm và ứng dụng của máy phát tĩnh điện.  Ưu điểm: Điện áp cao, ít bị méo, dễ điều chỉnh.  Nhược điểm: dòng nhỏ, dễ bị rung khi V lớn.  Ứng dụng:  Các máy Van-de-Graaff loại nhỏ được sử dụng trong giảng dạy vật lí, trưng bày trong các bảo tàng khoa học.  Sử dụng để gia tốc hạt, nghiên cứu tia X, sơn tĩnh điện, thử cáp cao áp...