静電発電機

静電発電機、または静電機械は、静電気、つまり高電圧と低連続電流の電気を生成する電気発電機です。静電気に関する知識は最古の文明にまで遡りますが、何千年もの間、その動作を説明する理論もなく、磁気と混同されることも多く、単に興味深く神秘的な現象に過ぎませんでした。17 世紀末までに、研究者は摩擦によって電気を生成する実用的な手段を開発しましたが、静電機械の開発が本格的に始まったのは 18 世紀になってからで、その年に静電機械は電気という新しい科学の研究における基本的な道具となりました。

静電発電機は、手動（またはその他の）力を使用して機械的作業を電気エネルギーに変換するか、電流を使用して動作します。手動静電発電機は、電気力のみを使用して、2 つの導体に逆符号の静 電荷を発生させ、可動プレート、ドラム、またはベルトを使用して高電位 電極に電荷を運びます。

静電機械は、通常、理科の授業で電気力や高電圧現象を安全に実証するために使用されます。達成される高い電位差は、X 線管、粒子加速器、分光法、医療用途、食品の殺菌、原子物理学の実験などのさまざまな実用的な用途にも使用されています。ヴァン デ グラフ発電機やペレトロンなどのバリエーションの静電発電機も、物理学の研究に使用されています。

静電発生器は、電荷の発生方法に応じていくつかのカテゴリに分類できます。

• 摩擦機械は摩擦電気効果（接触または摩擦によって発生する電気）を利用します。
• 影響機械は静電誘導を使用する
• その他

最初の静電発電機は、発電プロセスで摩擦が発生することから摩擦機械と呼ばれています。摩擦機械の原始的な形態は、1663年頃にオットー・フォン・ゲーリケによって発明されました。これは、手で回転させてこすることのできる硫黄球を使用したものでした。この機械は実際には使用中に回転していなかった可能性があり、電気（むしろ宇宙の力）を生成することを意図したものではありませんでしたが、^[1]回転する球を使用した後の多くの機械に影響を与えました。アイザック・ニュートンは、硫黄球の代わりにガラス球を使用することを提案しました。^[2] 1706年頃、フランシス・ホークスビーが基本設計を改良し、^[3]ウールの布に対してガラス球を高速で回転させることができる摩擦電気機械を開発しました。^[4]

1730 年頃、ヴィッテンベルクのゲオルク・マティアス・ボース教授が集電体 (絹糸で支えられた絶縁管または円筒) を追加したことで、発電機はさらに進歩しました。ボースは、このような機械に「主導体」を採用した最初の人物であり、これは樹脂のブロックの上に立つことで体を絶縁した人の手に握られた鉄の棒で構成されていました。

1746年、ウィリアム・ワトソンの機械には、いくつかのガラス球を回転させる大きな車輪と、絹の紐で吊るされた剣と銃身が主導体として付いていた。ライプツィヒの物理学教授ヨハン・ハインリヒ・ヴィンクラーは、手の代わりに革のクッションを使った。1746年、ヤン・インゲンホウスは板ガラスでできた電気機械を発明した。^{[5]電気機械の実験は、}ライデン瓶の発明によって大きく促進された。ガラスの両側に導電性コーティングが施されたこの初期のコンデンサは、起電力源に接続すると電荷を蓄積することができる。

電気機械はすぐに、スコットランド人でエアフルトの教授であったアンドリュー（アンドレアス）ゴードンによってさらに改良され、ガラス球の代わりにガラスシリンダーが使用され、ライプツィヒのギーシングはウール素材のクッションからなる「ゴム」を追加しました。一連の金属点からなるコレクターは、 1746年頃にベンジャミンウィルソンによって機械に追加され、1762年にはイギリスのジョンカントン（最初のピスボール電気計の発明者でもある）がゴムの表面にスズの合金を散布することで電気機械の効率を改善しました。^[6] 1768年、ジェシーラムズデンは広く使用されるプレート電気発電機のバージョンを作成しました。^{[説明が必要]}

1783 年、ハールレムのオランダ人科学者マーティン・ファン・マルムは、実験用に直径 1.65 メートルのガラス ディスクを備えた高品質の大型静電機械を設計しました。どちらの極性でも電圧を生成できるこの機械は、翌年、彼の監督の下、アムステルダムのジョン・カスバートソンによって製作されました。この発電機は現在、ハールレムの テイラーズ博物館に展示されています。

1785 年、N. ルーランドは、ウサギの毛皮で覆われた 2 本の接地管をこする絹ベルトの機械を製作しました。エドワード ネアーン氏は1787 年に医療用の静電発電機を開発しました。この発電機は正または負の電気を発生させる機能があり、最初の電気は集電点を運ぶ主導体から集められ、2 番目の電気は摩擦パッドを運ぶ別の主導体から集められます。ウィンター マシン^{[説明が必要]}は、以前の摩擦マシンよりも効率が高かったです。

1830 年代、ゲオルク・オームは研究のためにヴァン・マルム機に似た機械を所有していました (現在はドイツ、ミュンヘンのドイツ博物館に所蔵されています)。1840 年には、1768 年のラムズデン機を改良して、ディスクの上に主導体を配置したウッドワード機が開発されました。また、1840 年には、蒸気を電荷キャリアとして使用するアームストロング水力発電機械が開発されました。

表面電荷の不均衡が存在するということは、物体が引力または斥力を示すことを意味します。静電気につながるこの表面電荷の不均衡は、摩擦電気効果の現象により、2つの異なる表面を互いに接触させてから離すことによって発生する可能性があります。2つの非導電性の物体をこすり合わせると、大量の静電気が発生する可能性があります。これは摩擦の結果ではありません。2つの非導電性の表面は、一方が他方の上に置かれるだけで帯電します。ほとんどの表面はざらざらしているため、こするよりも接触による充電に時間がかかります。物体をこすり合わせると、2つの表面間の接着接触量が増加します。通常、絶縁体、つまり電気を通さない物質は、表面電荷の生成と保持の両方に優れています。これらの物質の例には、ゴム、プラスチック、ガラス、髄などがあります。接触している導電性物体も電荷の不均衡を生成しますが、絶縁されている場合にのみ電荷を保持します。接触帯電中に伝達された電荷は、各物体の表面に蓄えられます。電流の存在は、静電気力や火花、コロナ放電、その他の現象を弱めるものではないことに注意してください。両方の現象は、同じシステム内で同時に存在することができます。

摩擦機械は、やがて、上記の 2 番目のクラスの機器、つまり誘導機械に徐々に取って代わられました。誘導機械は静電誘導によって動作し、継続的に補充および強化される小さな初期電荷の助けを借りて、機械的作業を静電エネルギーに変換します。誘導機械の最初の提案は、ボルタの電気誘導器の発明から生まれたようです。電気誘導器は、静電誘導のプロセスによって電荷の不均衡を生成するために使用される単板コンデンサです。

次のステップは、金箔検電器の発明者エイブラハム・ベネットが「電気倍増器」（Phil. Trans.、1787）について記述したときでした。これは、電気倍増器に似た装置ですが、3枚の絶縁板を繰り返し手動で操作することで小さな電荷を増幅し、検電器で観測できるものでした。1788年、ウィリアム・ニコルソンは回転倍増器を提案しました。これは最初の回転誘導機械と言えます。彼の装置は「ウインチを回すことで、摩擦や地面との通信なしに2つの電気状態を生み出す装置」と説明されました。（Phil. Trans.、1788、p. 403）ニコルソンは後に、より優れた測定装置として「回転コンデンサー」装置について説明しました。

エラスムス・ダーウィン、W・ウィルソン、GC・ボーネンベルガー、そして（後に1841年に）JCE・ペクレは、ベネットの1787年の装置を様々な形で改良した。フランシス・ロナルズは1816年に、振り子の錘をプレートの一つとして採用し、時計仕掛けや蒸気エンジンで駆動することで発電プロセスを自動化した。彼はこの装置を電信機に電力を供給するために開発した。^{[7] [8]}

T. カヴァッロ( 1795 年に単純な加算を使用する電荷乗算器「カヴァッロ乗算器」を開発した)、ジョン・リード、シャルル・ベルナール・デゾルム、ジャン・ニコラ・ピエール・アシェットなどの他の人々は、さらにさまざまな形式の回転式ダブラーを開発した。1798 年、ドイツの科学者で説教者のゴットリープ・クリストフ・ボーネンベルガーは、ボーネンベルガー機械を、ベネット型やニコルソン型の他のいくつかのダブラーとともに本の中で説明した。これらの中で最も興味深いものは、「Annalen der Physik」(1801 年) で説明されている。ジュゼッペ・ベッリは 1831 年に、絶縁ステムに載せられた一対のプレートが回転する 2 枚の湾曲した金属プレートで構成される単純な対称型ダブラーを開発した。これは、両方の端子が同一の構造を持つ最初の対称型感受機械であった。この装置は、 1860 年にC. F. Varleyによって高出力バージョンの特許を取得し、 1868 年にはKelvin 卿(「補充装置」) によって、さらに最近では A. D. Moore (「ダイロッド」) によって、何度も再発明されました。Kelvin 卿は、サイフォン レコーダーと接続してインクを帯電させるための、一般にマウス ミルと呼ばれる、誘導機械と電磁機械を組み合わせた装置や、彼が「水滴コンデンサー」と呼んだ水滴静電発生装置 (1867) も考案しました。

1864年から1880年にかけて、WTBホルツは、当時最も進んだ開発と考えられていた多数の感応機械を製作し、その概要を説明しました。ホルツの機械の1つの形式は、水平軸に取り付けられたガラス製の円盤で構成され、この円盤は、近くの固定円盤に取り付けられた誘導プレートと相互作用する増速ギアによってかなりの速度で回転します。1865年、オーガスト・JI・テプラーは、同じ軸に固定され、同じ方向に回転する2つの円盤で構成される感応機械を開発しました。1868年、シュウェドフの機械は、出力電流を増やすための奇妙な構造を持っていました。また、1868年には、クント機械やカレ機械など、摩擦感応混合機械がいくつか開発されました。1866年には、ピシェ機械（またはベルチュ機械）が開発されました。1869年、H・ジュリアス・スミスは、火薬に点火するように設計されたポータブルで気密な装置の米国特許を取得しました。同じく1869年には、ドイツのセクターレスマシンがポッゲンドルフによって調査されました。

誘導起電機の動作と効率は、F. ロセッティ、A. リギ、フリードリヒ コールラウシュによってさらに研究されました。EENマスカー、A. ロイティ、E. ブショットも、誘導起電機の効率と電流生成力を調査しました。1871 年には、セクタレス マシンが Musaeus によって研究されました。1872 年には、リギの電位計が開発され、ヴァン デ グラフ発電機の最初の前身の 1 つとなりました。1873 年には、ライザーが、ホルツ マシンのバリエーションであるライザー マシンを開発しました。1880 年には、ベルリンの機器製造業者であるロバート フォスが、テプラーとホルツの原理を組み合わせた形式のマシンを考案しました。同じ構造は、テプラー - ホルツマシンとしても知られています。

1878 年、英国の発明家ジェームズ・ウィムズハーストは、ホルツ機を改良して、複数のディスクを備えた強力なバージョンを作り、静電発生器の研究を開始しました。最も普及した形態の誘導起電機となった古典的なウィムズハースト機は、1883 年までに科学界に報告されましたが、非常によく似た構造を持つ以前の機械は、ホルツとムサエウスによって以前に説明されていました。1885 年、史上最大のウィムズハースト機の 1 つがイギリスで製造されました (現在はシカゴ科学産業博物館に展示されています)。ウィムズハースト機は非常に単純な機械で、すべての誘導起電機と同様に、電荷の静電誘導によって動作します。つまり、存在するごくわずかな電荷でも使用して電荷を発生させて蓄積し、機械が動作している限りこのプロセスを繰り返します。ウィムズハースト機は、反対方向に回転するプーリーに取り付けられた 2 つの絶縁ディスク (ディスクの外側には小さな導電性 (通常は金属製) プレートがあります) で構成されています。 2つの両端ブラシは電荷安定器として機能し、誘導が起きて収集される新しい電荷を生成する場所でもあります。2対の収集櫛は、その名前が示すように、機械によって生成された電荷を収集します。2つのライデン瓶は機械のコンデンサーです。1対の電極は、十分に蓄積された電荷を転送します。ウィムズハーストマシンは構造とコンポーネントが簡単なため、自家製の静電気実験やデモンストレーションによく選ばれており、前述のようにこれらの特徴が人気に貢献した要因です。^[9]

1887年、ヴァインホールドは、極性反転を避けるためにディスクの近くに木製のシリンダーを備えた垂直金属バーインダクタのシステムでライザーマシンを改造しました。MLレビエは、本質的には簡素化されたフォスマシンであるレビエマシンについて説明しました（L'Électricien、1895年4月、pp.225-227）。1893年、ルイ・ボネッティは、ウィムズハーストマシンの構造を持つがディスクに金属セクターがないマシンの特許を取得しました。^{[10] [11]}このマシンはセクターバージョンよりもはるかに強力ですが、通常は外部から印加された電荷で起動する必要があります。

1898 年、 WR ピジョンによって独自の構成のピジョン機が開発されました。同年 10 月 28 日、ピジョンは数年にわたる誘導機械の研究 (1900 年代初頭から) を経て、この機械を物理学会に提出しました。この装置は後にPhilosophical Magazine (1898 年 12 月号、564 ページ) およびElectrical Review (第 45 巻、748 ページ) で報告されました。ピジョン機は、静電誘導効果を高めるように配置された固定静電インダクタを備えています (電気出力は、このタイプの一般的な機械の少なくとも 2 倍です (過負荷の場合を除く))。ピジョン機の重要な特徴は、1 つ目は電荷を誘導するための回転サポートと固定サポートの組み合わせ、2 つ目は機械のすべての部品 (特に発電機のキャリア) の絶縁性が向上していることです。ピジョン マシンは、ウィムズハースト マシンとフォス マシンを組み合わせたもので、電荷の漏れを減らすための特別な機能を備えています。ピジョン マシンは、これらのタイプのマシンの最良のものよりも容易に励起します。さらに、ピジョンは、密閉されたセクターを備えた高電流の「トリプレックス」セクション マシン (または「単一の中央ディスクを備えたダブル マシン」) を調査しました (このタイプのマシンで英国特許 22517 (1899) を取得しました)。

20 世紀初頭には、多重ディスク マシンや「トリプレックス」静電マシン (3 つのディスクを備えた発電機) も広く開発されました。1900 年、F. タズベリーは、発電機を圧縮空気(または二酸化炭素)を含む金属チャンバー内に封入すると、圧縮ガスの絶縁特性により、圧縮ガスの絶縁破壊電圧が増加し、プレートと絶縁サポート間の漏れが減少するため、大幅に改善された効果が得られることを発見しました。1903 年、アルフレッド ウェールセンは、ディスク表面にボタン コンタクトを備えたセクターが埋め込まれたエボナイト回転ディスクの特許を取得しました。1907 年、ハインリッヒ ウォメルスドルフは、このディスクとセルロイド プレートに埋め込まれたインダクタを使用したホルツ マシンのバリエーションを報告しました (DE154175、"ウェールセン マシン")。ウォメルスドルフは、高性能の静電発電機もいくつか開発しましたが、その中で最もよく知られているのは、彼の "コンデンサ マシン" (1920) です。これらは単一ディスク マシンであり、エッジでアクセスされる埋め込みセクターを備えたディスクを使用していました。

ヴァンデグラフ発電機は、1929 年にアメリカの物理学者ロバート J. ヴァンデグラフがMITで粒子加速器として発明しました。^[12]最初のモデルは 1929 年 10 月に実証されました。ヴァンデグラフ装置では、絶縁ベルトが電荷を絶縁された中空の金属高電圧端子の内部に運び、そこで金属ポイントの「櫛」によって端子に転送されます。この設計の利点は、端子の内部に電界がないため、端子の電圧がどれだけ高くても、ベルト上の電荷が端子に放電し続けることができることです。したがって、装置の電圧の唯一の制限は、端子の近くの空気のイオン化です。これは、端子の電界が空気の誘電強度 (約 30 kV/cm) を超えたときに発生します。最も高い電界は鋭いポイントとエッジで生成されるため、端子は滑らかな中空の球体の形状で作られ、直径が大きいほど、達成される電圧が高くなります。最初の機械は、50セントショップで購入した絹のリボンを電荷輸送ベルトとして使用しました。1931年に、1,000,000ボルトを生成できるバージョンが特許開示に記載されました。

ヴァンデグラフ発電機は成功した粒子加速器で、1930 年代後半にサイクロトロンに取って代わられるまで、最高のエネルギーを生み出していました。開放型のヴァンデグラフ装置の電圧は、空気絶縁破壊により数百万ボルトに制限されます。約 25 メガボルトまでのより高い電圧は、加圧絶縁ガスのタンク内に発電機を封入することで実現しました。このタイプのヴァンデグラフ粒子加速器は、現在でも医療や研究に使用されています。また、電荷輸送のために絶縁リンクと導電リンクを交互に配置したチェーンを使用する ペレトロンなど、物理学研究用の他のバリエーションも発明されました。

小型のヴァンデグラフ発電機は、科学博物館や科学教育で静電気の原理を説明するためによく使用されています。よく使われる説明は、絶縁された台の上に人が立って高電圧端子に触れるというものです。高電圧によって人の髪の毛が帯電し、髪の毛が頭から飛び出します。

すべての静電発生器が摩擦電気効果または静電誘導を使用するわけではありません。電荷は電流によって直接発生させることができます。例としては、イオナイザーやESD ガンがあります。

静電羽根なしイオン風力発電機EWICON は、デルフト工科大学(TU Delft) の電気工学、数学、コンピュータサイエンス学部によって開発されました。この発電機は建築会社 Mecanoo の近くにあります。主な開発者は Johan Smit と Dhiradj Djairam です。風以外に可動部品はありません。発電機は、集電装置から荷電粒子を運び去る風によって駆動されます。^[13]この設計は効率が悪いという欠点があります。^[14]

EWICONのために開発された技術は、オランダのWindwheelに再利用されました。^{[15] [16]}

これらの発電機は、時には不適切で、多少の議論を伴いながらも、さまざまな周縁科学の調査を支援するために使用されてきた。1911 年、ジョージ サミュエル ピゴットは、無線電信と「反重力」に関する実験のために、加圧ボックス内に密閉されたコンパクトな二重機械の特許を取得しました。ずっと後 (1960 年代)、「Testatika」として知られる機械がドイツのエンジニア、ポール スイス バウマンによって構築され、スイスのコミュニティであるMethernithansによって推進されました。Testatika は、1898 年のピジョン静電機械に基づく電磁発電機で、環境から直接利用できる「フリー エネルギー」を生成すると言われています。

• 静電モーター
• 電位計（「検電器」とも呼ばれる）
• エレクトレット
• 静電気

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ウィキメディア・コモンズには、静電発電機に関連するメディアがあります。

• 静電発電機 – インタラクティブ Java チュートリアル 国立高磁場研究所
• フレミング、ジョン・アンブローズ (1911)。「電気機械」 。ヒュー・チザム(編) 著。ブリタニカ百科事典。第 9 巻 (第 11 版)。ケンブリッジ大学出版局。pp. 176–179。
• 「仕組み：電気」triquartz.co.uk。