Номер 5, страница 418 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 74. Проводники в постоянном электрическом поле. Глава 10. Электростатика. Электродинамика - номер 5, страница 418.

Условие.

5. Как устроен генератор Ван де Граафа?

Решение.

Генератор Ван де Граафа — это электростатический генератор, который используется для создания очень высокого постоянного электрического напряжения (до миллионов вольт). Его работа основана на явлении электростатической индукции и переносе зарядов движущимся диэлектриком.

Ключевыми компонентами генератора являются:
1. Полая металлическая сфера (кондуктор или терминал), которая служит для накопления заряда. Она установлена на вершине изолирующей колонны, чтобы предотвратить утечку заряда на землю.
2. Диэлектрическая лента (обычно из прорезиненной ткани или шёлка), которая движется в виде бесконечного полотна между двумя шкивами (роликами).
3. Два шкива: нижний, расположенный у основания генератора и приводимый в движение электродвигателем, и верхний, находящийся внутри полой сферы.
4. Две щётки-гребёнки — металлические электроды с острыми концами. Нижняя щётка находится у нижнего шкива и подключена к источнику питания. Верхняя щётка расположена внутри сферы и электрически соединена с ней.

Принцип работы генератора заключается в следующем:
1. На нижнюю щётку от внешнего источника подаётся высокое напряжение (например, +10 кВ). Из-за высокой плотности заряда на остриях щётки возникает сильное электрическое поле, которое ионизирует воздух вокруг (коронный разряд). Положительные ионы отталкиваются от щётки и оседают на поверхности движущейся диэлектрической ленты.
2. Лента, приводимая в движение двигателем, переносит эти положительные заряды вверх, внутрь металлической сферы.
3. Внутри сферы поле, создаваемое зарядами на ленте, вызывает электростатическую индукцию на верхней щётке. На её остриях концентрируется отрицательный заряд, а на сфере — положительный.
4. Сильное поле у острий верхней щётки также вызывает коронный разряд: отрицательные ионы стекают на ленту, нейтрализуя её положительный заряд. Сама лента уходит вниз уже нейтральной.
5. Положительные заряды, индуцированные на сфере, согласно свойству полого проводника, немедленно перемещаются на её внешнюю поверхность. Это позволяет процессу повторяться многократно, так как поле внутри сферы не препятствует переносу новых порций заряда.
6. В результате на внешней поверхности сферы накапливается огромный электрический заряд, создавая очень большую разность потенциалов между сферой и землёй. Максимальное напряжение ограничивается электрической прочностью окружающей среды — при достижении критического значения происходит искровой разряд.

Ответ: Генератор Ван де Граафа устроен как система, в которой диэлектрическая лента непрерывно переносит электрические заряды от источника у основания на полый металлический кондуктор (сферу) на вершине изолирующей колонны. Заряд наносится на ленту и снимается с неё с помощью коронного разряда от двух щёток, после чего он накапливается на внешней поверхности сферы, создавая очень высокое напряжение.