Cursul_3_2014_2015

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015

http://slidepdf.com/reader/full/cursul320142015 1/20

Sisteme integrate de conversie electromecanică Cursul 3

Cursul 3

Principii fundamentale utilizate în conversia electromecanică a energiei

7. Procedeele de conversie electromagnetică a energiei în câmp electric

1. Procedeul inducţiei electrice

Dacă procedeul inducţiei electromagnetice permite obţinerea celor mai mari cupluri

specifice (cupluri raportate la unitatea de volum) – fiind, prin excelenţă, procedeul prin care

se valorifică, la maxim, inducţia magnetică din întrefier (aer) – procedeele baate pe inducţia

electrică dintr!un mediu dielectric nu mai oferă posibilitatea obţinerii unor forţe specifice cu

valori at"t de ridicate, într!un sistem macroscopic# $aradoxal, aceste forţe – de valori înalte

!se pot obţine, însă, pentru sisteme microscopice, sisteme care se încriu în noile paradigme

ale sistemelor de producţie existente, la ora actuală, pe plan mondial# %n aceste condiţii

devoltarea de forţe prin procedeul inducţiei electrice, pe baa energiei acumulate în c"mpul

electric, pe unitatea de volum ! D E we ⋅⋅=

&

' ! transformă sistemele microscopice, în sisteme

ecivalente celor macroscopice, ce devoltă forţe pe baa energiei înmagainate în c"mpul

magnetic ! H Bwe ⋅⋅=

&

'# ată motivul pentru care – în cadrul acestui curs – sunt abordate noi

sisteme de conversie electromecanică a energiei, sisteme microscopice, baate pe conversia

energiei prin intermediul c"mpului electric# *ai mult, aceste sisteme microscopice, reclamă o

adevărată integrare (at"t o integrare geometrică, volumică) c"t +i o integrare funcţională

(pătrunderea în intimitatea materiei solicită apariţia unor procese de interacţiune

complementare între diver+ii constituenţi ai acesteia, fapt ce duce la o suprapunere a

efectelor- în devoltarea de forţe – în cadrul sistemelor microscopice, deci, o integrare- a

diverselor forţe particulare din aceste procese intime de interacţiune)#

$rocedeul inducţiei electrice devine astfel principala cale în devoltarea de sisteme

integrate în conversia electromecanică a energiei#

%n modul acesta, dualismul existent în ecuaţiile lui *ax.ell (legile

electromagnetismului) se transpune +i, în practică, înci"ndu!se, acum, la începutul secolului

//, acest cerc vicios, care dăinuie, la nivel teoretic, de peste '00 de ani#

'

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Legile ce stau la baza realizării şi funcţionării micromotoarelor electrostatice

.! Legea lui Pasc"en

Dedusă pe cale experimentală încă din '122, legea menţionată poartă numele

descoperitorului, rideric $ascen, fiician german# Conform legii, rigiditatea dielectrică a

gaelor, în c"mp electric uniform, la o temperatură constantă (45 constant), este o funcţie de

produsul dintre presiunea gaului ρ +i distanţa între electroi d#

( )d f E d ⋅= ρ fapt ilustrat în figura &#'#a

%n caul aerului, considerat la presiune atmosferică +i temperatură constantă, pentru

6a valori extrem de mici ale distanţei dintre cei doi electroi plani, legea lui $ascen capătăforma particulară din figura &#'#b# 7lura curbei arată că rigiditatea dielectrică cre+te c"nd

distanţa dintre electroi se mic+oreaă# 8xplicaţia acestui fenomen e preentată mai 9os#

Străpungerea gaelor se datoreaă unor avalan+e de purtători de sarcină (electroni, ioni)

care se deplaseaă de la un electrod spre celălalt# niţierea avalan+ei este determinată de un

număr redus de electroni, existenţi în ga sau emi+i de catod, care acceleraţi de c"mpul

electric 8, pe o distanţă x acumuleaă o energie, x:8; ⋅⋅= , suficient de mare pentru a

ionia o moleculă a gaului (; < ;i , ;i fiind energia de ioniare a gaului) +i a genera încă

un electron# Cei doi electroni vor putea ionia alte două molecule numai după ce au acumulat

&

ig# &#' 6egea lui $ascen

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



energia ;i, adică au parcurs distanţa x# $rin urmare pentru un ga dat, iniţierea avalan+ei se

va face cu at"t mai aproape de catod, devoltarea ei – p"nă la atingerea unui diametru maxim

– se va face pe o distanţă cu at"t mai mică, cu c"t c"mpul electric în care se află gaul este

mai dens# Dacă distanţa dintre electroi scade, iniţierea avalan+ei trebuie să se aducă mai

aproape de catod, iar devoltarea ei să aibă loc pe o distanţă redusă# %n aceste condiţii

numărul de ciocniri neioniante ale electronilor trebuie să fie mai redus, adică ace+tia trebuie

să acumulee energia ;i pe o distanţă mai mică# Cum aceasta se poate realia numai dacă

densitatea c"mpului electric cre+te, reultă că rigiditatea dielectrică a gaului se ma9oreaă

c"nd distanţa dintre electroi scade# enomenul descris stă la baa realiării ma9orităţii

micromotoarelor electrostatice preentate în cadrul cursului#

. #fectul forţelor electrostatice e$ercitate asupra unui dielectric situat într%un

câmp electric

8fectul amintit este specific micromotoarelor electrostatice cu permitivitate variabilă#

$entru punerea în evidenţă a efectului sunt date în continuare două exemple

%n figura &#&#a, între cele două plăci metalice 7 +i = se aplică o tensiune care genereaă

un c"mp electric de intensitate 8# Corpul solid iolant C, de exemplu un bloc de parafină, estesuspendat pe platanul unei balanţe ecilibrată în absenţa c"mpului electric# C"nd se aplică

tensiunea, blocul de parafină este absorbit către onele cu c"mp mai intens +i balanţa se

deecilibreaă#

%n caul unui dielectric licid, figura &#&#b, la aplicarea tensiunii, licidul se va ridica

între plăcile 7 +i =, fapt ce conduce la inegalitatea licidului în cele două vase comunicante#

8xplicaţia se baeaă pe cunoa+terea forţelor ce apar la suprafaţa de separaţie a doi dielectrici

supu+i acţiunii unui c"mp electric#

3

&%'

()C

) (

'

&%

ig# &#& 8fectul forţelor electrostatice asupra unui dielectric plasat în c"mp electrica ! dielectric solid> b ! dielectric licid

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



.3 #fectul forţelor electrostatice e$ercitate între plăcile unui condensator plan

7cest efect este înt"lnit la ma9oritatea motoarelor electrostatice +i poate fi evidenţiat cu

a9utorul figurii &#3 unde este preentat un condensator plan av"nd una dintre armături mobilă#

%ntre armăturile condensatorului, conectat la sursa de valoare ?, se devoltă o forţă

electrostatică de atracţie exprimată de relaţia@

)&

'( &U C grad gradW F e ⋅−=−=

unde@

! ;e este energia c"mpului electric stabilit între plăcile condensatorului>

! C este capacitatea condensatorului dependentă de lungimea onei de suprapunere

dintre armături#

orţa poate fi descompusă în două componente@ una paralelă cu planul plăcilor,

notată cu x +i alta perpendiculară pe planul plăcilor notată cu d# Dintre cele două

componente doar x are un rol activ, determin"nd deplasarea armăturii mobile în direcţia

indicată prin săgeată#

.* #fectul de electret

7cesta este înt"lnit în caul micromotoarelor cu electreţi# Dacă un dielectric este supus

acţiunii unui c"mp electric sau acţiunii unui alt agent exterior (căldură, lumină, presiuni

mecanice, radiaţie) atunci devine un electret# Electretul constituie, în fapt un dielectric cu

polarizare remanentă, capabil să creee un c"mp electric propriu# 8lectreţii realiaţi sub

acţiunea simultană a unui c"mp electric +i a căldurii se numesc termoelectreţi#

A

B!

Sensul deplasării7rmătură mobilă

7rmătură fixă

?

B B B B B B B B B B B BB! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !! (

)C

'&

%

&

%

Sensul deplasării electretului

B B B B B B B B B B B BB! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !!

(

)

C '&

%

&

%

ig# &#3 8fectul forţelor electrostatice exercitate între armăturile unui condensator plan

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



La realizarea micromotoarelor electrostatice sunt utilizaţi+ aproape în

e$clusivitate+ termoelectreţii# nteracţiunea dintre c"mpul electric propriu al electretului +i

c"mpul electric al unui condensator genereaă forţe capabile să determine deplasarea unui

element mobil (figura &#A)#

., -enomenul de electrizare prin influenţă

Separarea sarcinilor electrice (aflate în echilibru c!nd un corp conductor este

introdus într"un c!#p electric$ repre%int& electri%area prin influenţ&# 4rec"nd peste aspectele

clasice care caracterieaă fenomenul menţionat, în cele ce urmeaă, sunt evidenţiate doar elementele noi cu perspective de valorificare în caul micromotoarelor electrostatice#

-BBBB

!!!!

BBBBBB

! !! !

!

() Semiconductor de tip p

-BBBB

!!!!

BBBB

! ! !! ! !

!

() Semiconductor de tip n

ig# &#A 8fecul forţelor electrostatice reultate în urma interacţiunii c"mpului electric

propriu al unui electret, cu c"mpul electric al unui condensator plan > a ! electretul mobil este

absorbit între armăturile condensatorului> b ! armătura mobilă a condensatorului este atrasă

de ansamblul electret!armătură fixă

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Se consideră caul unui cristal semiconductor de tip p, situat în c"mpul electric creat

între armăturile unui condensator plan (figura &#)# Conductibilitatea electrică se datoreaă, în

principal, golurilor (sarcinilor poitive) care repreintă purtătorii de sarcină ma9oritari# 8i vor

fi atra+i de armătura = +i vor fi respin+i de armătura 7# $urtătorii de sarcină minoritari

(electronii), evident în număr mai mic, vor fi atra+i de electrodul 7 +i respin+i de electrodul =#

*ărimea forţelor de atracţie, respectiv de respingere, produse prin interacţiunea dintre

c"mpul electric +i sarcinile acumulate la extremităţile cristalului, depinde de valoarea +i

poiţia sarcinilor faţă de electroii 7 +i =# orţa reultantă , care acţioneaă asupra

cristalului, va avea direcţia +i sensul forţei preponderente (caul preentat în figura &##a)#

enomenele se produc în mod asemănător +i în caul unui cristal semiconductor de tip n

(figura &##b)#

. /efracţia liniilor de câmp la trecerea dintr%un mediu dielectric în altul

Consider"nd două medii dielectrice de permitivitate relativă 'r ε +i &r

ε , Σ fiind

suprafaţa de separaţie dintre ele (figura &#), c"mpul electric ' E care face cu normala la

suprafaţă un ungi 'α , se refractă sub un ungi &

α conform teoremei refracţiei liniilor de

c"mp exprimată prin relaţiile@

&&'' sinsin α α ⋅=⋅

E E

ig# &# enomenul de electriare prin influenţă (inducţie electrică) +i efectul forţelor

electrostatice în caul unui cristal semiconductor> a ! cristal semiconductor de tip p>

b ! cristal semiconductor de tip n

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



''&& coscos α σ α ⋅+=⋅ D D

unde σ repreintă densitatea superficială a sarcinilor libere existente pe suprafaţa de

separaţie Σ , iar D' +i D& sunt inducţiile în cele două medii#

Dacă într!un mediu cu permitivitatea relativă 'r ε este cufundată o sferă cu

permitivitatea relativă εr& se constată următoarele@

! sfera concentreaă liniile de forţă c"nd'& r r

ε ε ⟩ (fig# &#E#a)>

! sfera disperseaă liniile de forţă c"nd&' r r

ε ε ⟩ (fig# &#E#b)#

%n caul unei sfere metalice, aceasta capteaă liniile de forţă, le întrerupe +i deformeaă

spectrul c"mpului exterior (fig# &#E#c)#

E

F'

F&

G

8&

8'

Hr'

Hr&

ig# &# 4eorema refracţiei liniilor de c"mp electric

ig# &#E Deformarea spectrului unui c"mp electric uniform la introducerea în c"mp a unui

corp sferic> a ! caul εr&>εr'> b ! caul εr&<εr'> c! caul unei sfere metalice

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



3. #voluţia maşinii electrostatice % istoric+ tipuri de maşini

*a+inile electrostatice sunt dispoitive electromecanice care produc Ielectricitate

statică-, sub formă de tensiuni continue de valori foarte mari# 8le au fost fundamentale pentru

primele studii asupra electricităţii demarate în secolul /J, sub forma Ima+inilor cu

frecare- +i devoltarea lor a culminat în secolul // cu puternicile ma+ini cu influenţă# 7stăi

c"teva modele continuă să existe dar, sunt folosite cel mai adesea pentru experimentele de

fiică în laborator, istoria lor fiind uitată#

%n cele ce urmeaă sunt preentate c"teva modele de ma+ini electrostatice#

3.!. 0enerator 1an de 0raaff

*a+ina electrostatică cunoscută sub numele de generator Jan de Kraaff, a fost inventată

de Lobert M# Jan de Kraaff în anul '2&2, în Statele ?nite ale 7mericii, av"nd drept obiectiv

generarea de tensiuni înalte pentru experimentele nucleare#

Este o #a'in& electrostatic& prin influenţ&, care permite producerea a milioane de volţi#

%n figura 3#' se poate vedea scema unui astfel de generator# 8l este format dintr!o sferă

metalică, goală în interior, de raă , ce formeaă o cu+că aradaN +i care prin intermediul

colectorului culege sarcinile de pe banda transportoare#

=anda transportoare prime+te, la r"ndul ei, sarcina de la un generator obi+nuit, de înaltă

tensiune ('0–&0 OJ), prin intermediul unor v"rfuri ascuţite# $entru realiarea transportului,

banda se confecţioneaă din cauciuc sau un alt material iolant +i este pusă în mi+care de

către un motor electric, cu vitea constantă ) #

1

ig# 3#' – Kenerator Jan de Kraaff

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Sursa de înaltă tensiune se aplică (borna poitivă) unui sistem de v"rfuri ascuţite,

plasate în faţa benii transportatoare care, pe partea cealaltă, are un electrod la borna

negativă# %n 9urul v"rfurilor se produce un fenomen de ioniare intens, datorită c"mpului

electric foarte mare ce există în prea9ma lor#

Ca urmare, pe banda transportatoare se vor proiecta ionii poitivi respin+i de v"rfurile

ascuţite (efect Corona), fiind astfel antrenate cu vitea uniformă ) $ +i dusă în interiorul

sferei# 79ung"nd în interior, sarcina va fi colectată de către sferă, prin intermediul sistemelor

de perii legate electric de ea# Datorită efectului de cu+că aradaN, sarcina se va răsp"ndi pe

suprafaţa sferei, de unde nu mai poate reveni# Sfera, av"nd o capacitate @

(C ⋅⋅⋅= 0A ε π

faţă de $ăm"nt, pe măsură ce se va încărca cu sarcină electrică, î+i va ridica tensiunea

conform relaţiei @

C

*U =

6imita superioară pe care poate să o atingă tensiunea este dată, pe deoparte, de raa

sferei, pe de altă parte de rigiditatea dielectrică a mediului în care este plasată sfera (limita de

străpungere prin sc"nteie a mediului dielectric)# $entru aer, valoarea maximă a c"mpului

electric, în condiţii normale, este de E d 530 OJPcm# Deoarece intensitatea c"mpului la

suprafaţa sferei va fi E+U, $ valoarea maximă a tensiunii ce poate fi atinsă este@

d E (U ⋅=max

se vede că tensiunea maximă cre+te cu cre+terea raei sferei#

$entru a mări tensiunea acceleratoare, se pot cupla doua generatoare Jan de Kraaff,

încărcate cu sarcini opuse, dubl"ndu!se astfel tensiunea# 7cest ansamblu se nume+te tande#

(figura 3#&)# ?n generator Jan de Kraaff cu raa sferei de ' m, cu o bandă de 0 cm lăţime,

antrenată cu o vitea de &0 mPs va produce o tensiune maximă (teoretică) de 3 *J +i un

curent maxim de 0, m7#

3.. 2aşina electrostatică cu influenţă oltz

2

ig# 3#& – Kenerator Jan de Kraaff ! tandem

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Cunoscută ca ma+ina Qolt de primă generaţie a fost prima ma+ină cu influenţă, cu

adevărat puternică, care a fost creată p"nă acum# 7 fost inventată de ;ilelm Qolt, în

Kermania, +i pentru prima dată expusă în anul '1# %n formă iniţială consta dintr!un disc ce

se rotea în faţa altui disc puţin mai mare#

Discul fix avea două plăcuţe din "rtie (inductoare) lipite de el diametral opuse cu unul

sau mai multe puncte care se întind pe o suprafaţă largă de disc termin"ndu!se aproape de

cealaltă parte a discului rotitor ce se rotesc în direcţia opusă a acestor puncte# %n partea din

faţă a discului rotitor opuse inductoarelor în plăcile fixe, două colectoare de sarcină cu o serie

de puncte care colecteaă sarcina de pe suprafaţa discului rotitor sunt conectate la terminalele

ma+inii#

$entru a vedea cum funcţioneaă, presupunem că discul este încărcat cu sarcini

negative pe partea din faţă din st"nga ma+inii# C"nd trece în ona în care este conectat

inductorul din partea st"ngă, sarcinile negative sunt respinse de pe partea posterioară a

discului spre inductor, unde vor fi concentrate în faţa colectorului de sarcină# C"nd discul

trece prin faţa colectorului st"ng de sarcini, sarcinile negative din disc sunt respinse de

sarcinile negative din inductor la ie+irea circuitului +i discul lasă colectorul de sarcină doar cu

sarcina poitivă# $rocesul se repetă cu polarităţile inversate în partea cealaltă# Sarcina din

inductoare cre+te exponenţial, +i tensiunea de ie+ire cre+te de asemenea, p"nă c"nd la

terminale apar sc"ntei, sau efectul Corona împreună cu alte pierderi limiteaă cre+terea

tensiunii#

'0

ig# 3#3 – *a+ina electrostatică cu influenţă Qolt

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



*a+ina construită în acest mod necesită un curent constant la nivelul circuitului de

ie+ire pentru a lucra# 4rebuie pornită cu terminalele scurtcircuitate, iar dacă terminalele sunt

separate la o distanţă prea mare, î+i pierde excitaţia +i se poate opri sau poate scimba

polaritatea#

ntroducerea barei neutraliatoare minimieaă această problemă# 7ceastă bară este de

fapt un fir care are în capăt piepteni, asemănători cu cei de la colectoarele de sarcină,

poiţionat de!a lungul părţii din faţă a discului# nductoarele sunt alungite pentru a acoperi un

ungi de 0!20 grade#

nversarea periodică a polarităţii se produce u+or, datorită sarcinilor acumulate în partea

interioară a discului fix, în partea opusă a plăcuţelor inductoare# 7ceastă sarcină o poate

depă+i pe cea a inductoarelor, revers"nd efectul de inducţie# Cum ma+ina nu are perii sau

sectoare metalice, necesită excitaţie din exterior pentru a porni# 8ste suficient să fie

depoitate c"teva sarcini în una din plăcuţele inductoare# *a+ina electrostatică Qolt este

similară cu ma+ina Joss, dar nu are sectoare pe discul rotitor +i plăcuţele inductoare

colecteaă sarcina din spatele discului rotitor#

7ceastă ma+ină este dificil de pornit în condiţii de umiditate, dar este considerată una

din cele mai puternice ma+ini electrostatice cu influenţă# Sc"nteile produse de ea a9ung p"nă

la R din diametrul discului#

3.3. 2aşina electrostatică 4ims"urst

''

ig# 3#A – Scema funcţională a ma+inii electrostatice Qolt

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



*a+ina ;imsurst a fost inventată de Mames ;imsurst în 7nglia +i a fost descrisă pentru

prima dată în '113# Structuri similare, de+i pe secţiuni diferite, au fost studiate înainte în

Kermania de Qolt +i $oggendorff în '12 +i *usaeus în '1E'# parte a ma+inii cu

performanţe mai puţine a fost descrisă în '1E de Qolt# 7ceastă ma+ină va deveni în cel maiscurt timp cea mai populară ma+ină electrostatică, datorită caracterului relativ de încredere +i

structurii simple#

Sunt necesare două discuri de plastic, cu un diametru de &0 cm, groase de & mm# 7cestea

sunt mici, dar destul de mari pentru a permite observarea unui important fenomen

electrostatic, fără a ocupa un spaţiu prea mare# Dacă dorim o putere mai mare discurile

trebuie mărite p"nă la 30 cm#

%n mi9locul discurilor sunt cilindri de lemn, folosiţi pentru a comanda rotirea, prin

mi9locul cărora trece o ti9ă de oţel # ăc"nd mici +anţuri în 9urul cilindrilor din lemn ace+tia

vor fi utiliaţi ca scripeţi unde corile vor mi+ca discurile# %n preent se utilieaă o comandă

mai elaborată, rotind un strung, cu suprafeţe plate lipite de disc într!o parte +i de un scripete

mic în cealaltă# 7nsamblul e montat într!un suport de lemn +i în două suporturi verticale ce

permit discurilor să se rotească în sensuri opuse menţin"ndu!le separate la '!& mm, fără a le

atinge# Distanţa dintre ele poate fi mărită prin mărirea diametrelor discurilor# Construcţiatrebuie să fie solidă +i bine ecilibrată# Se fixeaa comanda discurilor cu lipici a9ust"nd

poiţia discului p"nă c"nd lipiciul s!a uscat# *a+ini mai mari cer în+urubarea mai fixă a

discurilor comandate# Se vor utilia 3 +uruburi cu capete plate cu +aibă flexibilă între discuri

astfel înc"t a9ust"nd presiunea acestor +uruburi să fie posibilă mi+carea discurilor# Se folosesc

+aibe din carton înmuiate în parafină pentru a a9usta spaţiul dintre discuri# 8 important să se

aleagă discuri cu o grosime uniformă sau altfel ele vor vibra la vitee mari# Dacă acest lucru

se înt"mplă e posibil ca părţi mici din lipici să blocee marginile discurilor pe părţile

laterale# Tu e o soluţie perfectă dar funcţioneaă#

'&

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Se monteaă în acela+i suport doi scripeţi, mai mari dec"t sistemul lor de comandă, iar

înăuntru o osie rotită de manivelă# 7ceastă osie trece cu c"ţiva centimetri pe l"ngă discuri,

fiind montată în acela+i suport vertical în poiţie adecvată# 4recerea corilor peste scripeţirealieaă comanda lor# Lotind manivela aceasta va face discurile să se rotească în direcţii

opuse de c"teva ori pe secundă# %ncruci+area unei cori face ca unul din discuri să se rotească

în direcţie opusă# S!au folosit beni de cauciuc pentru a conecta scripeţii la discuri# $utem

folosi +i inele largi în formă de dar acestea nu reistă mult# ?n material excelent pentru

acest lucru îl constituie corile poliuretanice care se pot uni prin topire# C"nd se va uni coarda

aceasta va fi traversată făc"nd două laţuri> în acest fel coarda va face doar 9umătate de

răsucire +i va adera mai bine# $entru alte cori e de a9uns un singur laţ#Se fac o serie de sectoare din tablă subţire de aluminiu# Jor fi tăiate cu o lungime de

c"ţiva centimetri cu un capăt mai lat dec"t celălalt +i av"nd colţurile rotun9ite# Krosimea

minimă a acestora este de un centimetru# 7ceste sectoare vor fi lipite de discurile din plastic

pe faţa exterioară form"nd un model simetric un 9urul fiecărui disc# Tumărul sectoarelor

trebuie să fie egal astfel înc"t să fie pereci de!o parte +i de alta# Lealiarea cu mai multe

sectoare este mai avanta9oasă, numărul acestora fiind cuprins între ' +i A0#

Curentul de ie+ire al ma+inii este proporţional cu aria sectoarelor# ntensitatea maximă a

sc"nteii obţinute poate fi estimată ca fiind suma sectoarelor ce se întind pe o treime din

suprafaţa discului# Distanţa dintre două sectoare similare este în medie adecvată# $entru

sectoare mai mari reultă un curent mai mare dar o sc"nteie mai mică# Distanţa de la sectoare

la discul de comandă limiteaă valoarea tensiunii#

'3

a) b)ig# 3# – *a+ina electrostatică ;imsurst

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



6a ma+ina originală s!a folosit folie de aluminiu pentru sectoare# $entru a lipi sectoarele

de discuri s!a folosit o "rtie cu adeiv, fix"nd etan+ benile de discuri, cu a9utorul unei piese

din carton pentru a nu lăsa bule de aer# 8xcesul de adeiv se înlătură cu puţin alcool, lăs"nd

discurile perfect curate# oaia de aluminiu utiliată e un material mai bun pentru a

confecţiona sectoarele deoarece e mai reistent la apă# %n acest ca e necesară utiliarea unui

adeiv mai puternic# ?n adeiv cu lipire rapidă baat pe cauciuc sintetic este adecvat +i

curăţarea lui e imediată# $entru a face sectoarele se realieaă mai înt"i un tipar din carton un

pic mai mic dec"t dorim să fie sectoarele, după care se deseneaă pe folie sau tablă forma

tiparului rotind creionul de 9ur împre9ur# Se taie sectoarele cu mare atenţie# $entru a aplica

sectoarele pe discuri se face o u+oară urmă cu creionul#

7dapt"nd la suportul vertical două fire solide av"nd la extremităţi perii metalice

flexibile acestea ating sectoarele de pe discuri pe părţi opuse la fiecare disc sub un ungi

a9ustabil cuprins între A!0 grade# 7ceste bare neutraliatoare vor scurtcircuita două sectoareopuse c"nd acestea trec pe sub perie# olia subţire de argint este materialul ideal pentru perii#

=arele neutraliatoare sunt fixate de inele metalice, fixate la r"ndul lor în partea de sus a

ma+inii de +uruburi care trec prin centrul lor pe partea cealaltă, direct pe aceia+i axă a

discurilor# Cum centrele barelor neutraliatoare sunt neutre nu este important dacă ele sunt

conectate electric la structura ma+inii sau iolate de ea#

3.*. 2aşina electrostatică Lebiez

'A

ig# 3# – Scema funcţională a ma+inii electrostatice ;imsurst

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



7ceastă #a'ina de influenţ& este o altă variantă a ma+inii Qolt ('1)# $oate să fie,

de asemenea, luată în consideraţie ca versiunea simplificată a ma+inii Joss ('110)# 8a constă

într!un disc iolant (acrilic) cu un număr par de plăci metalice lipite cu clei, exact ca discurile

unei ma+ini ;imsurst, care se rotesc faţă în faţă, acoperind fiecare 20 grade# 7ceste plăci

metalice sunt în contact cu discul prin două perii dispuse pe oriontală +i diametral opuse#

7ceastă ma+ină este mai puţin eficientă dec"t o ma+ină ;imsurst, dar se porne+te

cu u+urinţă# $roblema constă în inversările de polaritate periodice, datorită inductorilor fic+i#

Dacă ei sunt lipiţi cu clei într!o singură parte a discului fix (partea de exterior), viavi se

acumuleaă repede sarcini electrice, reduc"nd c"mpul electric +i inducţia# 6a prima sc"nteie

prin capetele de linie, sau după ce se reduce vitea, inductorii se descarcă, +i sarcinile

acumulate în partea cealaltă a discului fix fac ca pornirea ma+inii să fie cu polaritatea

inversă#

$rocesul se repetă, cu o inversare de polaritate după fiecare sc"nteie 7ceasta poate săfie reolvată lipind cu clei plăcile de metal conectate la ambele părţi ale discului fix# $e de

altă parte, apare o pierdere serioasă de sarcini cu sc"nteile mici de la inductorii în latura

interioară a discului fix# *a+ina Joss minimalieaă această problemă despărţind circuitul

reultat de la farfuriile inductoare#

'

ig# 3#E – *a+ina electrostatică 6ebie

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Structura ma+inii ;imsurst evită cu inteligenţă problema de acumulare a sarcinilor în

partea opusă inductoarelor, prin aceea că scimbă polaritatea inductoarelor de două ori la

fiecare rotire#

3.,. 2aşina electrostatică (onetti cu discuri de ebonită

*a+ina cu influenţă electrostatică cunoscută sub numele de ma+ina =onetti, este o

ma+ină electrostatică ;imsurst fără sectoare, inventată de =onetti, un constructor france înanul '12A#

*a+ina este realiată astfel@ o structură solidă realiată dintr!un lemn de esenţă tare,

alcătuită din patru bare la baă, fixate cu +uruburi de placa suport, reali"nd astfel patru

picioare, cu două înălţătoare fixate de baă cu +uruburi# ?rmeaă doua bare de oţel lustruit,

una de &0 cm iar cealaltă de & cm# Discurile de ebonită cu un diametru de A cm +i o

grosime de 3,& mm, împreună cu barele de oţel determină dimensiunile acestei ma+ini# Cei

doi cilindri înv"rtitori vor avea în centru cilindrii de alamă # Teutraliatoarele constau într!o serie de perii# Sunt realiate dintr!o multitudine de

f"+ii foarte subţiri de argint# $eriile sunt montate în cilindrii de aluminiu, care pot fi

poiţionate pe lungimea barelor de alamă# =arele de alamă sunt prinse în inele de bron,

fixate în partea superioară de un set de +uruburi din alamă, l"ngă suporţii care susţin discurile#

$eriile sunt poiţionate astfel înc"t să măture discurile, ating"ndu!le foarte u+or# 7ceastă

soluţie este foarte avanta9oasă pentru că se poate a9usta numărul periilor +i ungiul

neutraliatoarelor#

'

ig# 3#1 – Scema funcţională a ma+inii electrostatice 6ebie

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



Colectoarele de sarcini sunt mai complicate, din tuburi de alamă +i bile de lemn la

capete, inspirate de colectoarele de sarcini ale unei ma+ini ;imsurst de putere mare, cu lame

de cupru îndreptate spre discuri pentru a colecta sarcinile# 6amelele din cupru sunt ţinute de presiunea bilelor din capătul tuburilor# Colectoarele de sarcini sunt fixate de conductoarele

principale cu +uruburi, ona de legătură fiind iolată de o bucată rotundă din lemn#

Conductoarele trec prin bilele de lemn susţinute de iolatori lungi +i fixate cu +uruburi#

4erminalele au m"nere realiate din nailon +i sunt fixate de conductoarele principale cu bile

de lemn cu m"nere de bron în ele pentru a putea fi rotite#

$entru a putea folosi vecile discuri acestea trebuie lustruite, îndepărt"nd pulberea

maro care acoperă ebonita# 7ceastă pulbere se formeaă în timp din caua expunerii la

lumină +i face ! datorită conductivităţii sale slabe ! discurile de nefolosit# Discurile se înv"rt

separate de o +aibă situată în centru#

Leultatul este o ma+ină în aparenţă clasică dar realiată cu materiale moderne, ca cele

acrilice sau nailon# olosirea lemnului la colectoarele de sarcini este de asemenea ceva nou,

în comparaţie cu ma+inile clasice#

*a+ina este excitată folosind o altă ma+ina pentru a împră+tia c"teva sarcini de sens

contrar celor din neutraliator, c"nd ma+ina nu este în mi+care# După aceasta, c"teva rotiri +i

ma+ina devine supraexcitată +i înmagaineaă destule sarcini pentru porniri ulterioare#

'E

ig# 3#2 – *a+ina electrostatică =onetti

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



7ceastă excitare relativ u+oară este o consecinţa a folosirii periilor în locul unor

piepteni# C"nd lucreaă produce sc"ntei de p"nă la &0 cm# %n anumite condiţii de laborator

sc"nteia obţinută poate avea p"nă la &A cm ( EU umiditate )#

3.. 2aşina electrostatică Le5ser

7ceastă ma+ină e o altă variantă a ma+inii Qolt, inventată în '1E3# 8a e compusă dintr!

un disc rotativ din material iolator (sticlă) ce se rote+te în urma a două inductoare plate, una

deasupra +i una de dedesubt# 7ceste inductoare sunt încărcate printr!un pieptene ce colecteaă

sarcina de pe partea din faţa discului, înainte de a trece pe sub colectoarele de sarcină#

Colectoarele de sarcină colecteaă sarcină din partea din faţă a discului, de pe faţadelema+inii# $e partea posterioară a discului se află o bară verticală neutraliatoare cu piepteni,

opu+i inductoarelor din faţă# %n cărţile veci e posibil să găsim două versiuni# ?na cu inductor

av"nd o bară verticală din metal cu cilindri din lemn apropiaţi de disc +i o altă 6eNser cu

inductoare de "rtie#

*a+ina se putea construi în ambele versiuni# S!a ales ultima din ele cu inductoare de

"rtie, +i s!a observat că nu este fiabilă# 8ste dificil de excitat iar o dată excitată lucreaă

pentru un timp +i brusc î+i pierde excitarea# 7parent mecanismul care caueaă inversarea

polarităţii la ma+ina Qolt aici nu se aplică# Jersiunea cu bare inductoare lucreaă mai bine

dar ma+ina reultată are performanţe slabe din caua absenţei iolaţiei dintre inductoare si

disc# %n sf"r+it, nu reverseaă polaritatea +i nu se opre+te din lucru în timp ce discul se rote+te#

'1

ig# 3#'0 – *a+ina electrostatică =onetti cu discuri de ebonită

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



S!a încercat, de asemenea, să se montee inductoare de "rtie într!o altă poiţie cu pieptenii prelu"nd sarcina după ce discul trece pe sub principalul colector de sarcini în loc să

treacă pe deasupra# 7ceastă configuraţie este ecivalentă cu o ma+ină Qolt modificată,

tensiunea de ie+ire fiind luată din partea interioară a discului rotitor +i ie+irea clasică fiind

folosită ca neutraliator# *a+ina lucreaă mai bine în această configuraţie, poate din caua

configuraţiei mai bune, dar pierde din excitaţie în loc să inversee polaritatea#

S!a încercat adăugarea de sectoare de metal la discuri +i perii în loc de piepteni în

neutraliatoare +i inductoare# S!au aplicat ' sectoare de aluminiu pe fiecare parte a disculuirotitor, ca la ma+ina ;imsurst +i s!au făcut perii folosind fire subţiri de Ti!Cr# nductoarele

au fost înlocuite cu plăcuţe de aluminiu, cu periile fixate de blocuri rotunde din lemn lipite pe

suprafaţa lor# 7ceastă soluţie reolvă problema pierderii excitaţiei, duc"nd la inversarea

polarităţii la un interval de c"teva secunde# S!au încercat două modele@ unul încărc"nd

inductoarele cu perii localiate înainte de colectorul de sarcini, ca în construcţia iniţială, +i

alta cu periile localiate după colectorul de sarcini# 7mbele modele au acelea+i performanţe#

*a+ina se excită u+or dar tensiunea obţinută e mică produc"nd sc"ntei de cel mult & cm între

terminalele sub formă de bile cu un diametru de &, cm# 7ceasta este o performanţă slabă

pentru un disc cu diametru de 30 cm# ără sectoare sc"nteia era de cel puţin două ori mai

mare# Curentul de scurtcircuit e de E µ7 +i polaritatea se scimbă la fiecare c"teva secunde#

S!a revenit la versiunea de ma+ină fără sectoare cu un nou disc din material acrilic dar

cu diametrul de 3' cm mont"nd încă o dată piepteni în circuitul de neutraliare dar păstr"nd

plăcuţele inductoare metalice +i periile ating"nd discul înv"rtitor care să le încarce# 7cest

experiment a fost reu+it ma+ina arăt"nd inversări periodice de polaritate în locul pierderiiexcitaţiei +i produc"nd o tensiune +i un curent mult mai mari (&0 µ7) dec"t la încercările

'2

ig# 3#'' – Scema funcţională a ma+inii electrostatice 6eNser

7/23/2019 Cursul_3_2014_2015



anterioare# Cu o bilă din oţel la una din bilele terminale separată de aceasta de un tub de

plastic de 0, cm, ma+ina produce cu u+urinţă sc"ntei de '0, cm ciar +i la o umiditate

relativă a aerului de 1U, invers"nd polaritatea după fiecare sc"nteie, ca o ma+ină Qolt#

*a+ina necesită excitaţie externă pentru a porni ceea ce este u+or de obţinut prin aplicarea de

sarcini la una din plăcuţele inductoare# %+i păstreaă excitaţia dacă e oprită pentru un timp +i

lucreaă ciar +i atunci c"nd unul din terminale sau o plăcuţă inductoare e legat la masă#

7ceastă ma+ină arată performanţe inconstante, într!o i produc"nd sc"ntei lungi +i aproape

deloc înalte# ?n motiv al acestei comportări îl constituie pierderile Corona ce apar la limita

inductoarelor fixe# $roblema se poate reolva prin acoperirea marginilor cu folie adeivă de

plastic#

Cursul_3_2014_2015

Documents

Transcript of Cursul_3_2014_2015