Plik Generator Van de Graaffa Jest to artefakt, który działa dzięki zjawiskom elektrostatycznym i którego funkcją jest reprodukcja ogromnych potencjałów elektrycznych, rzędu megaelektronowoltów (MeV), w celu przyspieszenia cząstek subatomowych. Potencjały te są skoncentrowane w jej górnych częściach, gdzie spoczywają charakterystyczne puste w środku metalowe kule..
Został wynaleziony w 1929 roku przez amerykańskiego fizyka Roberta J. Van de Graaffa, budując modele o różnych rozmiarach i pojemnościach elektrycznych. Jeden z największych, utworzony w 1933 roku i widoczny na poniższym obrazku, jest w stanie osiągnąć potencjał elektryczny 5MeV; pięć razy mniej niż obecnie osiągalne (25,5MeV).
Potencjał generatora Van de Graaffa jest tak wysoki, że w powietrzu otaczającym jego metaliczne kulki występują wyładowania elektryczne. Wyładowania te są wynikiem nierównowagi ładunków elektrycznych, ponieważ kule przyjmują bardzo ujemne lub bardzo dodatnie ładunki elektryczne; wszystko w zależności od materiałów i projektów.
To urządzenie jest dość popularne w nauczaniu fizyki i elektryczności. Dzieje się tak, ponieważ ochotnicy dotykając kulek lub metalowych kopuł małych generatorów doświadczają mimowolnego unoszenia włosów, co przypomina porażenie prądem..
Indeks artykułów
Na powyższym obrazku mamy konwencjonalne części generatora Van de Graaffa. Ma pionową ramę zwieńczoną wydrążoną kulą lub metalową kopułą (1). Wewnątrz mamy opaskę lub pas (4 i 5) wykonany z materiału polimerowego i izolacyjnego, taki jak rurka chirurgiczna.
Taśma ta stale porusza się pomiędzy dwoma rolkami: górną (3) i dolną (6). Podobnie do każdego wałka dołączona jest metalowa szczotka (2 i 7), która ociera powierzchnię paska. Ruch taśmy jest aktywowany przez silnik elektryczny podłączony do podstawy generatora.
Jak widać na obrazku, kula generatora jest naładowana dodatnio (+). Dlatego potrzebuje elektronów do zapewnienia nierównowagi elektrycznej. To tutaj elektrony (-), które opuszczają generator, ładują się ujemnie do pobliskiego metalowego urządzenia (8); aby ostatecznie wytworzyć wyładowanie elektryczne (9) w kierunku metalowej kopuły.
Porażenie prądem elektrycznym może nastąpić w kierunku kopuły lub w kierunku urządzenia; to drugie występuje, gdy to kopuła jest naładowana ujemnie.
Generator Van de Graaffa może być naładowany dodatnio lub ujemnie. Symbol ładunku będzie zależał od tryboelektrycznego charakteru materiałów, z których wykonana jest taśma i osłona dolnego walca..
Na przykład, jeśli dolna rolka jest pokryta nylonem, ale pasek jest wykonany z gumy, należy sprawdzić serię tryboelektryczną, aby wiedzieć, jaki materiał otrzyma i który odda elektrony, gdy się zetkną..
Tak więc, ponieważ nylon jest bardziej dodatni, to znaczy ponieważ znajduje się wyżej w szeregu tryboelektrycznym niż guma, będzie tracił elektrony, podczas gdy guma je zyska. W związku z tym po uruchomieniu silnika generatora pasek zacznie wypierać lub uruchamiać ładunki ujemne..
Tymczasem, jeśli dolna rolka pokryta jest silikonem, stanie się odwrotnie: pasek będzie tracił elektrony, ponieważ silikon jest bardziej ujemny niż guma w szeregu tryboelektrycznym. A w konsekwencji pas będzie wypierał lub mobilizował ładunki dodatnie (jak na już opisanym obrazku).
Tryboelektryczność to tylko jedno z wielu zjawisk elektrycznych (korona i efekty fotoelektryczne, kostki lodu Faradaya, pola elektryczne itp.), Które zachodzą w generatorze Van de Graaffa. Ale najważniejsze jest to, że może przesuwać, mobilizować lub „pompować” ładunki elektryczne w kierunku metalowej kopuły..
Gdy dolna rolka jest naładowana ujemnie po uruchomieniu silnika i pasek jest dodatni, elektrony z rolki zaczynają odpychać te na zewnętrznej powierzchni paska. Elektrony te migrują w powietrzu w kierunku dolnej szczotki, skąd będą kierowane w kierunku ziemi lub innego urządzenia..
Dodatnio naładowana taśma dociera do górnej rolki, która ma charakter tryboelektryczny przeciwny do dolnej rolki; to znaczy, zamiast być naładowany ujemnie, musi stracić elektrony, a zatem również stać się naładowany dodatnio. W ten sposób ładunek dodatni przemieszcza się w kierunku górnej rolki i ostatecznie w kierunku górnej szczotki w bezpośrednim kontakcie z metalową kopułą.
Elektrony z górnej szczotki są transportowane do walca w celu zneutralizowania ładunków. Ale te elektrony pochodzą z powierzchni metalowej kopuły. Dlatego kopuła również nabiera ładunku dodatniego.
Kopuła, zgodnie ze swoimi wymiarami, osiągnie maksymalny potencjał. Następnie należy zrównoważyć ładunki elektryczne. Będąc bardzo dodatnim, otrzyma elektrony z bardzo ujemnie naładowanego źródła - urządzenia, które odbiera elektrony z dolnej szczotki. W ten sposób wyładowanie elektryczne (iskra) jest wytwarzane z urządzenia (ujemne) w kierunku metalowej kopuły (dodatnie).
Im wyższe osiągnięte potencjały elektryczne, proporcjonalne do wymiarów generatora, tym intensywniejsze będą odtwarzane wyładowania elektryczne. Zauważ, że gdyby nie były tak duże, elektrony nie mogłyby podróżować w powietrzu, nieprzewodzącym medium dielektrycznym.
Jeśli metaliczna kula jest naładowana dodatnio, a ktoś jej dotknie, jego włosy również zostaną naładowane dodatnio. Równe ładunki odpychają się, dlatego włosy staną na końcach i oddzielą się od siebie. Zjawisko to jest wykorzystywane do celów edukacyjnych na kursach, na których wprowadzana jest elektrostatyka.
W ten sposób małe generatory Van de Graaffa są używane do zwracania uwagi obserwatorów na stan ich włosów; lub w kontemplacji wstrząsów elektrycznych, wierne repliki tych, które widzimy w filmach science fiction.
Kiedy kopuła gromadzi wiele ładunków elektrycznych, generowany jest potencjał, który jest zdolny do przyspieszania cząstek subatomowych. W tym celu generator Van de Graaffa jest używany do odtwarzania promieni rentgenowskich w badaniach medycznych i fizyce jądrowej..
Jeszcze bez komentarzy