Генератор Ван де Граафа є одним із найвідоміших генераторів високої напруги, який дозволяє візуалізувати поведінку електронів. Пристрій не знайшов практичного застосування, і зазвичай використовується як розважальний прилад, що показує принцип дії різних фізичних процесів. Генератор винайдено у 1929 році і був названий на честь свого відкривача.

Як діє генератор Ван де Граафа

Цей пристрій може мати два варіанти виконання: горизонтальне та вертикальне. Обидва працюють за однаковим принципом та мають усередині аналогічний набір деталей. Найчастіше застосовується вертикальна установкаоскільки вона дозволяє досягти кращого оглядупід час генерування зарядів.

Генератор складається з 5 основних елементів:

• Ремінець з діелектричної стрічки.
• Металевий шків.
• Шків із діелектричного матеріалу.
• Металева сфера.
• Діелектричний корпус із підставкою.

Металевий струмопровідний шків знаходиться у нижній частині стійки генератора, а діелектричний вгорі. Між ними натягнутий ремінець із гуми чи шовку. Нижній шків має заземлення. Поблизу нього знаходиться електрод у вигляді щітки, на який подається напруга. У верхнього шківа встановлюється другий електрод щітка, який приєднаний до сфери на верху генератора. Обидві щітки труться об діелектричну стрічку.

Принцип роботи генератора є досить простим. Його можна зрозуміти, навіть маючи прогалини у знаннях основних законів фізики. Оскільки нижній щітковий електрод знаходиться під високою напругою, а шків, який закріплений поруч, виконаний з металу, то повітряному просторі між ними створюються позитивно заряджені іони. Вони притягуються до шківа і налипають на електричну стрічку, яка обертається і піднімає іони вгору до сфери, яка також виконує роль електрода. Верхні щітки знімають іони і відправляють їх на металеву сферу. Завдяки своїй формі вона накопичує позитивно заряджені частинки. Стрічка, що обертається, постійно доставляє все нові і нові іони, поки не створиться їх достатнього скупчення для підвищення потенціалу на електроді.

Практичне використання

Генератор Ван де Граафа практично не знайшов застосування для виконання корисних функцій. Однак його можна використовувати для дослідження поведінки атомів. Багато ядерних лабораторій мають серед свого технічного обладнання і генератор Ван де Граафа, за допомогою якого проводиться прискорення частинок, що необхідно для початку ядерних реакцій.

Переважна більшість існуючих генераторів, що працюють за цим принципом, використовується як навчальний посібник, що дозволяє демонструвати процес електростатики. Нерідко генератор використовується у розважальних шоу. За його допомогою імітують мініатюрні блискавки. Крім того, навколо сфери пристрою створюється поле, яке здатне піднімати легкі предмети. Найвідомішим та видовищним способом демонстрації є відпускання над генератором невеликого шматочка фольги, який завдяки малій вазі та струмопровідності утримується на вазі полем пристрою. Він кружляє навколо сфери протягом тривалого часу, особливо якщо має гарне балансування. Згодом траєкторія його польоту спотворюється, і він прилипає до генератора.

Потужний генератор Ван де Граафа здатний створювати великі блискавки, тому видовище від використання такого приладу справді заворожує. У зв'язку з цим не дивно, що на подібні уявлення приходять відвідувачі, незважаючи на те, що ці пристрої існують майже 100 років. Поблизу генератора починають горіти освітлювальні прилади, не підключені до мережі.

Коронним трюком із використанням генератора є підняття волосся на голові. Потрібно заздалегідь стати на гумовий килимок, після чого однією рукою доторкнутися до кулі пристрою.

Як користуватись генератором

Застосування генератора вимагає дотримання певних правил. Їхнє порушення може викликати неприємні наслідки. Здобуття розряду з його сфери за відчуттями схоже на удар блискавки. Звичайно, це небезпечно, але тільки в тому випадку, якщо застосовується генератор, який створює дійсно великі напруги.

Перед застосуванням пристрою його потрібно очистити від пилу, що постійно прилипає, який зазвичай покриває діелектричну стрічку і шківи. Спеціально для цього у генераторах передбачається можливість зняття сфери. Якщо бруд не захоче стиратися, його можна просто змити, але після цього встановлювати деталі можна тільки після їх висихання.

Перед включенням напруги генератор потрібно заземлити, після чого запустити привід для забезпечення обертання стрічки.

Правила безпеки

У разі включення генератора в розетку необхідно, щоб вона мала заземлення. Категорично заборонено торкатися поверхні пристрою, за винятком знаходження ніг на діелектричному килимку.

Заборонено наближатися до працюючого генератора у разі використання кардіостимулятора. Також потрібно враховувати, що прилад може зашкодити сучасному технічного обладнання. У зв'язку з цим перед експериментами з генератором потрібно відкласти убік мобільний телефон і електронний годинник. Включена поблизу генератора комп'ютерна технікачасто перешкоджає, тому починає показувати зображення на екрані з дефектами. Це продовжується протягом усього періоду, поки працює генератор.

Технічні характеристики

Перший прототип генератора, що був успішно запущений, генерував напругу 80 КВ. Це високий показникале є практично нікчемним проти сучасних досягнень. Установки, які використовуються сьогодні, здатні генерувати 20 млн вольт.

Самий потужний генераторВан де Граафа побудований в історії видавав напругу 20 МВ. Саме з його допомогою було відкрито суперформовані ядра.

Серійно випускаються компактні генератори, призначені для використання в кабінетах фізики як наочне навчальний посібник. Такі пристрої значно безпечніші, і не видають потужні розряди. Для проведення шоу зі створення блискавок зазвичай використовуються генератори, напруга яких на виході становить до 100 кВ. Вони харчуються від звичайної мережі змінного струмуна 220В. Висота таких пристроїв становить 40-60 см, а вага рідко перевищує 7 кг.

Самостійне виготовлення

Генератор Ван де Граафа часто виготовляється самостійно любителями фізичних експериментів. Зробити його зовсім нескладно, але звичайно саморобка не живиться від мережі змінного струму, тому безпечна. Нижня щітка приладу підключається до блока живлення зарядного пристроюзвичайного мобільного телефону. Як діелектричний ремінець для натягу між роликами застосовується ізолента. Замість струмопровідної сфери встановлюється звичайна алюмінієва банка з-під газування.

Подібний примітивний генератор хоч і не може генерувати видовищні блискавки, але цілком здатний при роботі піднімати фольгу, змушувати ухилятися убік тонкий струмінь води з-під крана, і живити дрібні світлодіоди, від чого вони світяться.

Це генератор високої напруги, механізм роботи його базується на електризації діелектричної стрічки, що рухається. Вперше було створено 1929 р. у США фізиком Робертом Ван де Граафом і давав різницю потенціалів до 80 Квольт. У 1931 він же розробив пристрої, що виробляє 1 млн, а через два роки - 7 млн ​​вольт.

Відомо, що при терті різних матеріаліводин об одного можна отримати електричний заряд, який притягувати всякі дрібні папірці, пил і навіть відхиляти струмінь води. Наприклад, використовуємо каналізаційну ПВХ-трубуі носок, працює не гірше за знамениту ебонітову паличку. Будь-яка речовина складається з позитивно заряджених ядер атомів та негативно заряджених електронів, що обертаються навколо них. Зазвичай у речовині позитивного та негативного заряду порівну, тому сумарний дорівнює нулю, таке тіло не заряджено. Але коли шкарпетка стосується труби, то електрони переходять зі шкарпетки на неї, тому що електрони краще притягуються до її молекул.

Тертя – це спосіб привести в контакт якнайбільше молекул, тому під час експерименту краще ще натискати на носок силою. Але не всі розуміють, що таким простим способомдосягається напруга 1000 В, щоб переконатися в цьому, рекомендовано зробити експеримент в абсолютній темряві, наприклад, замкнувшись у кімнаті без вікон. І поспостерігати спалахи розрядів, що виникають при терті носка об трубу.

Генератор Ван де Граафа теж отримує заряд за рахунок зіткнення двох матеріалів один з одним, проте він вміє отримувати більшу напругу. При влаштовуванні він досить просто. У нижній частині генератора закріплений двигун, він потрібен, щоб обертати спеціальну стрічку, на осі двигуна потрібно закріпити щось, що при зіткненні заряджатиме стрічку. Перепробували цілу купу матеріалів надягати на вісь, а також кілька варіантів стрічок. Як стрічка найкраще працював медичний бинт Мартенса, а на вісь у результаті одягли шматочки все тієї ж ПВХ-труби, яка добре притягує електрони, заряджаючи негативно. А стрічка, що позитивно зарядилася, обертаючись, несе свій заряд нагору, і він накопичуватися на металевій кулі все більше і більше. Якщо хочеться, щоб куля стала не плюсом, а мінусом, просто просовуємо свої пальці в трубу, шкіра при терті віддає електрони. Напруга на кулі накопичується дійсно велика, судячи з розміру блискавок, що пробивають, 100000 В набирається. Круті генератори, створені за технологією Ван де Граафа, вміють отримувати мільйони вольт і використовують у фізиці, щоб прискорювати частки до більших енергій.

Чому стрічка завжди тільки приносить заряд на кулю, і ніколи її звідти не забирає? Щоб відповісти на запитання, потрібно розібратися в одній важливій властивості провідників, адже куля на відміну від стрічки спеціально зроблена з металу, який добре проводить матеріал. Пояснення для обивателя, прошарені чуваки самі прочитають про теорему Гауса та екранування.

Припустимо, є шматок металу, і всередину нього якимось чином потрапив заряд, нехай це купка негативних електронів, проте, якщо це метал, то не пройде і частки секунди, як там уже не буде, тому що це купка електронів, вони всі один від друга відштовхуються. Весь надлишковий заряд виявиться розмазаним по зовнішній стінці металу дуже-дуже. тонким шаром, тобто. завжди накопичується на зовнішньої поверхніпровідників. Тому стрічка і не може взяти заряд із кулі, всередині її просто немає. Це і є основним принципом роботи генератора винахідника Ван де Граафа. Уся фішка в тому, що підносимо стрічку зсередини кулі, а не зовні.

Кулю зробили з двох салатниць, куплених в Ікеї. Усередині втулка з велосипеда, на якій тримається, вільно обертаючись, стрічка. Заряд зі стрічки на кулю потрапляє через втулку, або за допомогою додаткового дроту, піднесеного максимально близько до стрічки. В кінці він розділений на безліч дрібних гострих провідників. Справа в тому, що через повітря на вістря набагато краще стікає заряд. Половник, який б'є блискавка, заземлений через корпус саморобного генератора.

Генератор Ван де Граафаздатний видавати електростатичні потенціали у сотні тисяч вольт. Такі установки є в багатьох лабораторіях і політехнічних музеях, де їх використовують у різних дослідах, пов'язаних з електрикою. Щоправда, там використовуються генератори висотою у два людські зрости. Ми спробуємо побудувати компактну настільну установку.

Названо генератора на ім'я голландського фізика Р. Дж. Ван де Граафа, який у 1931 році сконструював його для своїх дослідів з електростатики. З того часу установки, що сиплять іскрами, можна знайти навіть у шкільному кабінетіфізики, і називаються вони інколи електрофорними машинами. Ми ж з вами спробуємо зробити своїми руками приблизно такий генератор, як задумував сам Ван де Грааф.

Для конструкції генератора Ван де Граафа потрібно:

• порожня металева банка з-під газування;
• невеликий гвоздик;
• кільцева гумка шириною приблизно 0,5 см та діаметром 8 - 10 см;
• скляний електричний запобіжник розміром 5×20 мм;
• електродвигун постійного струму(Наприклад, від іграшки);
• затискач "крокодильчик";
• тримач батареї;
• чашка з пінополістиролу або паперовий стаканчик;
• клеючий термопістолет або тюбик клею для пластику;
• два відрізки мідного електричного дроту;
• два відрізки 3/4-дюймовий сантехнічної трубиіз ПВХ;
• 3/4-дюймова муфта із ПВХ;
• Т-подібний 3/4-дюймовий трійник сантехнічний з ПВХ;
• ізолента та дерев'яні підставки.

Може здатися, що установка складна, але якщо ви подивіться на ілюстрації, то побачите, що її можна змонтувати всього за один вечір. Головне - припасти усі необхідні деталі.

Монтаж генератора

Монтаж почніть з дерев'яної основи. До нього приклейте 5-7-сантиметровий відрізок пластикової трубидіаметром 3/4 дюйми. На цьому фундаменті і монтуватиметься ваш генератор з тим розрахунком, щоб у разі потреби його можна було легко зняти, якщо, наприклад, треба замінити в ньому гумову стрічку або внести зміни в конструкцію.

В одне з колін сантехнічного трійника вставляється електродвигун. Оскільки моторчик, як правило, невеликого діаметру, його треба обернути папером або ізолентою, щоб корпус входив у трубу з деяким зусиллям. На вал двигуна натягніть шматочок пластикової трубкивідповідного діаметра.

Далі, просвердлюйте невеликий отвіру бічній частині Т-подібної трубки. Через нього введіть усередину кінець багатожильного дроту, "розшматованого" у вигляді пензлика або щітки таким чином, щоб, розташувавши його поблизу гумової стрічки, можна було знімати з неї електростатичний заряд.

Закріпити провід на місці можна за допомогою скотчу чи ізоленти. Кільцеву гумку накиньте внизу на шків, а частину, що залишилася, витягніть нагору, як показано на ілюстрації.

Далі, відріжте від 3/4-дюймової сантехнічної труби циліндр 5-7-сантиметрової довжини. Його треба буде закріпити у верхній частині Т-подібного роз'єму, як показано на малюнку. Протягніть гумку до верху і закріпіть положення гвоздиком.

При цьому треба мати на увазі, що довжина труби повинна бути такою, щоб гумка не була дуже сильно розтягнута. Інакше через підвищене тертя двигун працюватиме із зайвим навантаженням.

Відріжте від пінополістиролової чашки нижню частину висотою 1,5 - 2 см, переверніть її вгору дном і виріжте в дні отвір з таким розрахунком, щоб він щільно сідав на 3/4-дюймову трубу.

Тепер просвердліть три отвори у верхній частині муфти. Два з цих отворів повинні бути діаметрально протилежні один одному, так щоб через них пройшов невеликий цвях, який виступатиме як місток для гумки. Третій отвір розташований між двома іншими з таким розрахунком, щоб протягнутий в нього дротяний пензлик-щітка, як і нижня щітка, майже торкалася гумки в натягнутому стані.

Щітка вставляється в муфту, а сама муфта надівається на 3/4-дюймову трубу вище "коміра" з чашки. Гумка заправляється в муфту і утримується на місці гвоздиком, як і раніше. До речі, окремі проводки "пензлика" треба скрутити майже по всій довжині між собою, щоб окремі проводки не розпалися.

Тепер залишилося поставити на місце скляну трубочку. Найпростіше взяти її від електричного запобіжника, які використовуються в радіоприладах. Акуратно нагрійте паяльником металевий ковпачок на одному з кінців запобіжника та зніміть його плоскогубцями з трубки. Так само зробите з іншим ковпачком.

Потім витягніть кінець гвоздика з одного отвору в муфті і надягніть на нього скляну трубку з таким розрахунком, щоб гумка опинилась на трубці. Знову введіть цвях у другий отвір.

Приклейте пінополістироловий "комір" до труби. Найкраще зробити це за допомогою термопістолета, тому що клей при цьому швидко застигає та не розчиняє пластмасу.

Але, в принципі, те саме можна зробити і за допомогою іншого відповідного клеюдля пластику.

Тепер ви готові до встановлення дюралевої банки. Вона хороша для високої напруги тому, що має закруглені краї, що мінімізує коронний розряд. Залишається лише гострим ножемакуратно вирізати верхню кришку, загладити обрізані краї, наприклад, за допомогою викрутки і, перевернувши банку нагору дном, насадити її на полістироловий комір, пропустивши всередину вільний кінець верхньої дротяної "пензлика"-щітки.

Останній крок – підключення двигуна до батареї за допомогою проводів. При цьому вольтаж живлення повинен відповідати тому, на яке розрахований електромотор, який ви взяли.

Якщо пензлики-щітки у верхній та нижній частинахбанки встановлені правильно - дуже близько до гумки, але не торкаються її, ви повинні відчути легкий електричнийукол, як тільки піднесете палець близько до алюмінієвої баночки.

Запуск та налаштування генератора Ван де Граафа

Якщо ви не виявили ознак високої електростатичної напруги при працюючому двигуні (немає іскор, банка не притягує до себе паперових смужок), то вам доведеться зайнятися налагодженням генератора.

Спочатку спробуйте інший тип гумки. Деякі види гуми мають деяку провідність, тому й можуть дати високого потенціалу.

Переконайтеся, що всі деталі установки чисті. Бруд і жир теж можуть зробити вашу установку непрацюючою.

Перевірте, чи верхня щітка надійно контактує з металом банки. Деякі банки мають усередині пластикове покриття. Тоді краще взяти іншу банку.

Перевірте, чи немає гострих кінців за межі установки. Вони можуть стати джерелом коронного розряду, і напруга не накопичуватиметься.

Переконайтеся, що щітки не торкаються гумової стрічки. Між ними має бути певний проміжок.

Схема генератора Ван де Граафа: 1 - вал електромотора; 2 – скляна трубка; 3 - гвоздик; 4 - дротяна щітка; 5 – сфера; 6 – гумка; 7 – дротяна щітка.

Перевірте правильність всього монтажу, порівнявши те, що зроблено нами, з принциповою схемоюустановки.

Після того як генератор налагоджений, порадьтеся з учителем фізики, які цікаві дослідиможна поставити за допомогою зробленого вами генератора. Наприклад, якщо навісити на алюмінієву банкупри вимкненому генераторі грон паперових смужок, то в міру збільшення напруги вони утворюють якийсь екзотичний "букет".

А можна за допомогою генератора Ван де Граафа спробувати отримувати електрети – вічні джерела електричної напруги, які використовуються, наприклад, у мікроскопах.

Протонів та іонів високих енергій. Прискорення частинок відбувається за рахунок їх взаємодії з електростатичними або електромагнітними полями. У медицині прискорювачі заряджених частинок використовують для променевої терапії та радіобіологічних дослідженнях. Залежно від способу прискорення прискорювачі заряджених частинок ділять на електростатичні (наприклад, генератор Ван-де-Граафа), резонансні лінійні, індукційні (див. Бетатрон) і циклічні (циклотрон).

В електростатичному генераторі Ван-де-Граафа висока напруга створюється за рахунок накопичення на поверхні порожнистої провідної сфери електричного заряду, який подається на неї від електричного генератораза допомогою нескінченної стрічки, що рухається. Прискорення заряджених частинок відбувається у вакуумній трубі.

Роберт Ванн де Грааф під час демонстрації свого генератора у 1922 р.

Електростатичний генератор (Ван-де-Граафа) – прискорювач заряджених частинок. Складається із джерела високої напруги (власне електростатичний генератор) та прискорювальної трубки. Перша вдала конструкціяподібної установки була запропонована в 1929 Ван-де-Граафом (R. J. Van de Graaff). Принцип дії електростатичного генератора ось у чому.

Електричні заряди від генератора наносяться на діелектричну стрічку, що рухається.

З цієї стрічки заряди переносяться системою щіток на внутрішню поверхню порожнистої ізольованої металевої сфери - кондуктора (рис.). Таким чином, на сферу може бути перенесений великий заряд, максимальна величина якого визначається виникненням розряду з неї в зовнішній простір. Зі збільшенням розмірів сфери напруга підвищується. В даний час для збільшення напруги при мінімальних розмірахустановки електростатичний генератор поміщають у бак з газом, що має високу електричну міцність (азот, фреон, вуглекислий газ), під тиском до 20 атм.

Електростатичний генератор може бути використаний для прискорення як електронів (див.), і важких частинок - протонів (див.). Гранична енергія прискорених частинок сягає 10 МеВ. Електростатичні генератори знайшли широке застосуванняу фізиці, техніці та медицині. У медицині використовуються електростатичні генератори з електронним пучком (див. Електронне випромінювання) як джерело жорсткого гальмівного випромінювання (див.), що виникає при попаданні електронів високої енергіїна ціль з важкого елемента. також Прискорювачі заряджених частинок.

Електростатичний генератор Ван-де-Граафа:
1 – високовольтний електрод (кондуктор);
2 – іонне або електронне джерело;
3 – багатосекційна прискорювальна трубка;
4 - ізолююча колонка;
5 – система дефокусування електронного променя;
6 - тонка алюмінієва фольга;
7 – конвеєр;
8 і 10 - зарядні та знімні вістря;
9 - "нескінченна" стрічка, що рухається.

ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА

ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА, пристрій, що генерує високу напругу за допомогою концентрації електричних зарядів на зовнішній стороні порожнистого провідника. Побудований Джоном КОКРОФТОМ та Ернестом УОЛТОНОМ ПРИСКОРЮВАЧ Кокрофта-Уолтона виробляв високу напругу за допомогою групи заряджених КОНДЕНСАТОРІВ, з'єднаних послідовно. Американський фізик Роберт Ван де Грааф (1901-67) удосконалив цю конструкцію, розпорошуючи позитивні або негативні заряди по стрічці, що безперервно рухається, яка переносила їх у велику порожню металеву сферу, де накопичувалася напруга. Таким чином, задіяна напруга близько 50 000 вольт зростала до 1 млн. електрон-вольт. Сьогодні генератор Ван де Граафа використовується в основному для впорскування частинок в потужніші лінійні прискорювачі. див. такожЛОУРЕНС.

За допомогою генератора Ван де Граафа (В) можна отримати очі, високу напругу. Еспітою має надлишок позитивних іонів, помістити всередину резервуара, на його внутрішній стороні збираються електрони, а на зовнішній - така ж кількість позитивно заряджених іонів (А) Якщо заряджене тіло торкнеться внутрішньої сторони, усі вільні електрони перетічуть на нього, зробивши його нейтральним. Зовнішній бікрезервуара при цьому ще утримує позитивні іони У генераторі Ван де Граафа позитивні іони розпорошуються від відповідного джерела (1) на нескінченну стрічку, яка несе їх усередину металевої сфери. Стрічка з'єднується з внутрішньою поверхнеюстінки за допомогою провідника у формі гребеня(2) Це дозволяє електронам стікати на стрічку. Таким чином, на зовнішній стороні сфери збираються позитивні іони (3) Ефект може бути посилений з'єднанням двох генераторів, як показано на (С).

Науково-технічний енциклопедичний словник .

Дивитись що таке "ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА" в інших словниках:

Мініатюрний генератор Ван де Граафа … Вікіпедія

генератор Ван-де-Граафа- Van de Grafo generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. belt type generator; Van de Graaff generator vok. Bandengenerator, m; Van de Graaff Generator, m rus. генератор Ван де Граафа, m; стрічковий генератор, m pranc. accélérateur Van … Fizikos terminų žodynas

- … Вікіпедія

- … Вікіпедія

- … Вікіпедія

- (Див. ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИЙ ГЕНЕРАТОР). Фізичний енциклопедичний словник. М: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1983. ВАН ДЕ ГРААФА ГЕНЕРАТОР … Фізична енциклопедія

ВАН ДЕ ГРААФА ГЕНЕРАТОР, див. ст. Електростатичний генератор (див. ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИЙ ГЕНЕРАТОР) … Енциклопедичний словник

Див у ст. Електростатичний генератор. Великий Енциклопедичний словник

Ван де Граафа прискорювач, див. Велика радянська енциклопедія

- [на ім'я амер. фізика Р. Дж. Ван де Граафа (R. J. Van de Graaf; p. 1901)] електростатич. генератор пост. високої напруги до 20 MB та допустимою силою струму навантаження до 1 мА. Використовується в лінійних прискорювачах, а також у слаботочній. Великий енциклопедичний політехнічний словник

Книги

• Набір "Японські досліди. Статична електрика" (ВВ 1164/196407), Виявляється, електрика буває різною. У одних випадках воно тече, а інших накопичується. І якщо про течію електрики по проводах ми дізнаємося, коли вмикаємо електроприлади, то як…