Генератор ван де граафа принцип действия

На уроках физики, чтобы показать действие, совершаемое статическим электричеством, демонстрируют генератор Ван де Граафа. Необычное устройство, пуская в разные стороны миниатюрные молнии, приводит в восторг учеников. Но мало кто знает, что генератор также использовался для опытов в сфере ядерной физики.

История создания

Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-1967), работавший в Принстонском университете, вошел в историю как создатель электростатического ускорителя элементарных частиц.

Первое описание генератора Ван де Граафа было сделано в 1929 году, а через два года он создал высоковольтный ускоритель, который мог выдавать электрическое напряжение 1 МВ. В 1935 году усовершенствованная конструкция вырабатывала уже 7 мегавольт.

Генератор Ван де Граафа впоследствии стал основой для современной разновидности линейного ускорителя, названного пеллетроном. Разница между ними заключалась в способе передачи заряженных частиц. Если у генератора они передавались при помощи диэлектрической ленты, то у пеллетрона — металлической цепью.

Принцип действия

Конструкция генератора позволяет делать его как в горизонтальном исполнении, так и в вертикальном. Основной его частью является большая металлическая сфера, на поверхности которой происходит накопление заряженных частиц. Внутри корпуса из изолированного материала находятся два ролика, соединенных между собой диэлектрической лентой. Изначально она была выполнена из шелка и резины, а впоследствии заменена цепью.

Нижний ролик имеет заземление и соединение с малой сферой, также у него есть привод для вращения. Верхний ролик через металлическую щетку соединен с большой сферой.

По мере вращения нижнего ролика происходит ионизация воздуха с последующим переносом заряженных частиц к верхнему ролику. Через металлическую щетку поток ионов переносится на поверхность большой сферы, где накапливается в виде электростатического заряда.

Мощность генератора Ван де Граафа ограничена коронным разрядом, создающим светящуюся оболочку вокруг заряженного электрода.

Где применяется генератор

Изначально устройство применялось для разгона заряженных частиц, но со временем появились более совершенные ускорители, и необходимость в нем отпала. В настоящее время опыты с генератором Ван де Граафа ставятся в основном для моделирования процессов, происходящих во время грозовых разрядов.

В современных школах это устройство является стандартным оборудованием физических кабинетов. На территории бывшего СССР генератор не выпускался. В школах для опытов использовалась электрофорная машина Вимшурста, которая была впоследствии названа «Разряд».

Способность генератора издавать разряды используется в различных шоу-программах и цирковых трюках. Он может создавать поле, удерживающее в воздухе небольшие предметы, а мощный заряд позволяет работать электрическим приборам вдали от источника электричества.

Меры предосторожности

Как любое устройство, создающее высокое напряжение, генератора Ван де Граафа требует мер предосторожности при работе с ним. Разряду неважно, где возникать: между разнополярными электродами или между заряженным электродом и телом человека. Достаточно существенной разницы в потенциалах. Поэтому при работе с генератором человек должен находиться на резиновом коврике, чтобы его потенциал оставался нейтральным по отношению к накопленному заряду.

Если человек будет находиться на полу, тем более на влажном, то он станет отличным проводником для передачи заряженных частиц земле, и через его тело пройдет разряд величиной в несколько тысяч, а может, и миллионов вольт. Единственное, что может позволить человеку остаться в живых — это малая сила тока.

Люди, имеющие кардиостимуляторы, не должны приближаться к генератору. Электронные приспособления, такие как часы, сотовые телефоны, могут давать сбой в работе. Поэтому перед началом экспериментов нужно оставить их в стороне.

Перед началом работы

Элементы генератора, такие как ленты, шкивы, сфера, притягивают к себе пыль, как магнит. Перед началом работы нужно очистить механизмы. Для этого нужно снять большую сферу и влажной тряпочкой протереть детали устройства. Если накопленный заряд не позволяет избавиться от пыли, то можно применить спрей-антистатик для волос.

Самое важное, что нужно сделать до начала вращения генератора — это убедиться в заземлении малого электрода. Иначе разряд будет бить в объект, обладающий большей массой, то есть в человека.

Из чего собрать генератор в домашних условиях

Теперь, когда принцип действия генератора Ван де Граафа известен, можно самостоятельно собрать действующую модель для домашних экспериментов. После небольших испытаний выяснилось, что для получения заряженных частиц лучше всего подходит труба ПВХ для водопровода. Если ее потереть синтетическим материалом, то появившийся в ней заряд позволят притягивать мелкие бумажки, отклонять струю воды, падающей вниз. Поэтому ПВХ-труба станет источником заряженных частиц.

А что будет переносить электроны на сферу генератора? Опыты показали, что лучше всего подходит медицинский бинт Мартенса. Он состоит из полиэстера, латекса и хлопчатобумажной ткани.

Теперь, когда определились с основными рабочими частями, составляется полный список необходимых материалов:

1. Большая металлическая сфера. Она изготавливается из двух крупных салатниц, продающихся в ближайшем гипермаркете.
2. Труба ПВХ. Потребуется 2 отрезка разного диаметра. Первый станет корпусом генератора, а второй нужно подобрать таким образом, чтобы он плотно надевался на шкив, соединенный с приводом.
3. Верхний шкив. Можно использовать любой подходящий предмет, на котором бы держалась лента, не соскакивая. Например, старую втулку от велосипедного колеса или большую пластиковую катушку с бортами.
4. Отрезок медного многожильного провода. Из него будут изготовлены щетки, снимающие и передающие заряд.
5. Маломощный электродвигатель. Потребуется для вращения нижнего шкива. Однако если есть желание, то привод можно сделать ручной.
6. Металлические планки для опоры генератора, а также для фиксации шкивов на ПВХ трубе.
7. Металлический половник. Будет выступать в роли малого электрода.

Сборка генератора Ван де Граафа своими руками

Когда все материалы подготовлены, можно приступить к изготовлению:

1. Из металлических планок сделать прямоугольную основу для генератора. Ее нужно выполнить в форме квадрата. Размеры должны обеспечивать устойчивость конструкции. Также нужно предусмотреть крепление под электродвигатель.

Прототипы генератора Ван де Граафа на фото столетней давности мало отличаются от устройства, сделанного своими руками. Теперь, когда прибор полностью готов, можно приступать к опытам.

Генератор Ван де Граафа — генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 миллион и 7 миллионов вольт соответственно [1] .

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 на рисунке «Схема генератора»), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высокого напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.

Современные генераторы Ван де Граафа вместо лент используют цепи, состоящие из чередующихся металлических и пластиковых звеньев, и называются пеллетронами.

Применение [ править | править код ]

Исторически изначально генераторы Ван де Граафа применялись в ядерных исследованиях для ускорения различных заряженных частиц. В настоящее время их роль в ядерных исследованиях уменьшилась по мере развития иных способов ускорения частиц.

Они продолжают использоваться для моделирования процессов, происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле.

В литературе [ править | править код ]

В романе Е. Л. Войскунского и И. Б. Лукодьянова «Экипаж Меконга» генератор Ван де Граафа используется для придания свойства проницаемости твёрдым телам. В романе братьев Стругацких "Понедельник начинается в Субботу", генератор Ван де Граафа служит метафорическим сравнением для дистиллятора детского смеха.

Американскому физику Роберту ван де Граафу довелось родиться и творить на стыке двух великих научных эпох – электричества и ядерной физики. Созданный им в 1929 году генератор, вошедший в историю под его именем, предназначался для первых физических ядерных исследований в качестве ускорителя частиц. Спустя всего два года, установка выдавала разряды мощностью до 7 млн. вольт.

Принцип действия генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — один из первых линейных ускорителей. Тем не менее воспроизвести его действующую модель по силам любому, кто хоть немного разбирается в электротехнике.

Генератор состоит из двух сфер, на которые подаются положительные и отрицательные заряды, диэлектрической закольцованной ленты, натянутой на 2 вращающихся валика (верхнего и нижнего), двух электродов в виде щеток, расположенных около валиков, причем верхний электрод замкнут на внутреннюю поверхность сферы, а нижний соединен с источником высокого напряжения.

Устройство начинает работать с вращением ленты, натянутой на валики. Верхний валик изготовлен из диэлектрического материала, а нижний – из металла с заземлением. Верхний электрод соединен с металлической сферой, а нижний, связанный с источником высокого напряжения, ионизирует окружающий воздух и создает положительные ионы, «прилипающие» к движущейся ленте.

Она, подобно транспортеру, «доставляет» положительные заряды «наверх», где с валика их снимает щеточный электрод, перебрасывая на внутреннюю поверхность сферы, где заряды накапливаются.

Одновременно на другой сфере происходит накопление отрицательных зарядов. Как только накопленный потенциал достигает критического уровня, происходит электрический разряд.

На заре ядерной эпохи генератор Ван де Граафа какое-то время использовался в качестве линейного ускорителя частиц. Но его активная научная «карьера» продолжалась недолго. Очень скоро появились ускорители нового поколения, несоизмеримые по мощности и возможностям со своим предшественником.

Однако в отличие от своих «ровесников», электротехнических устройств середины прошлого века, списанных в утиль, генератор Ван де Граафа ведет довольно активную жизнь. Из ведущих исследовательских центров он перебрался в школьные физклассы и институтские лаборатории, став, к примеру, незаменимым учебным пособием для моделирования природных разрядов в газовой среде.

Пожалуй, одним из самых известных опытов носит название «волосы дыбом». Для этого нужно встать на резиновый коврик или деревянную доску и прикоснуться к включенному генератору Ван де Граафа. Обладателей пышной шевелюры ждет сюрприз, достойный снимка с последующим размещением в Instagram.

Генератор Ван де Граафа своими руками

В нем воплощен известный тезис: «Все гениальное просто». В YouTube и на интернет-сайтах можно встретить десятки вариантов действующих генераторов Ван де Граафа, изготовленных руками умельцев из абсолютно доступных подручных материалов – карандашей, обрезков водопроводных труб ПВХ, резинок, канцелярских скрепок, батареек, электродвигателей от игрушек, скотча, проводов и т. д. Данный перечень ограничивается лишь фантазией и квалификацией изобретателей.

Наиболее доступным является вариант с обрезком трубы ПВХ, внутри которого на осях крепятся вращающиеся валики, соединенные между собой прочной лентой. Для установления осей необходимо с помощью разогретого паяльника вверху и внизу проделать параллельные отверстия.

Перпендикулярно к нижней оси проделывается еще одно отверстие для щетки. Нижний валик и щетка соединяется с электромотором. В качестве сферы можно задействовать использованную банку из-под газировки емкостью 0,33 л. К стороне, обращенной внутрь трубы, прикрепляется щетка для снятия положительного заряда. После этого конструкция собирается. Все, можно запускать. Через пару минут следует поднести банку-сферу к струйке воды, и она под действием магнитного поля слега отклонится. Что и требовалось доказать.