Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
Генератор Ван де Граафа является одним из самых известных генераторов высокого напряжения, который позволяет визуализировать поведение электронов. Устройство не нашло практического применения, и обычно используется как развлекательный прибор, показывающий принцип действия различных физических процессов. Генератор изобретен в 1929 году и был назван в честь своего открывателя.
Как действует генератор Ван де Граафа
Данное устройство может иметь два варианта исполнения: горизонтальное и вертикальное. Оба работают по одинаковому принципу и имеют внутри аналогичный набор деталей. Чаще всего применяется вертикальная установка, поскольку она позволяет добиться лучшего обзора при генерировании зарядов.
Генератор состоит из 5 основных элементов:
- Ремешок из диэлектрической ленты.
- Металлический шкив.
- Шкив из диэлектрического материала.
- Металлическая сфера.
- Диэлектрический корпус с подставкой.
Металлический токопроводящий шкив находится в нижней части стойки генератора, а диэлектрический вверху. Между ними натянут ремешок из резины или шелка. Нижний шкив имеет заземление. В близи него находится электрод в виде щетки, на который подается напряжение. У верхнего шкива устанавливается второй электрод щетка, который подсоединен к сфере на верху генератора. Обе щетки трутся о диэлектрическую ленту.
Принцип работы генератора довольно простой. Его можно понять, даже имея пробелы в знаниях основных законов физики. Поскольку нижний щеточный электрод находится под высоким напряжением, а шкив, который закреплен рядом, выполнен из металла, то в воздушном пространстве между ними создаются положительно заряженные ионы. Они притягиваются к шкиву и налипают на электрическую ленту, которая вращается и поднимает ионы вверх к сфере, также выполняющей роль электрода. Верхние щетки снимают ионы, и отправляют их на металлическую сферу. Благодаря своей форме она накапливает положительно заряженные частицы. Вращающаяся лента постоянно доставляет все новые и новые ионы, пока не создастся их достаточного скопления для повышения потенциала на электроде.
Практическое использование
Генератор Ван де Граафа практически не нашел применения для выполнения полезных функций. Однако, его можно использовать для исследования поведения атомов. Многие ядерные лаборатории имеют среди своего технического оборудования и генератор Ван де Граафа, с помощью которого проводится ускорение частиц, что необходимо для начала ядерных реакций.
Подавляющее большинство существующих генераторов, работающих по данному принципу, используется в качестве учебного пособия, позволяющего демонстрировать процесс электростатики. Нередко генератор используется в развлекательных шоу. С его помощью имитируют миниатюрные молнии. Кроме того, вокруг сферы устройства создается поле, способное приподнимать легкие предметы. Самым известным и зрелищным способом демонстрации является отпускание над генератором небольшого кусочка фольги, который благодаря малому весу и токопроводимости удерживается на весу полем устройства. Он кружит вокруг сферы на протяжении продолжительного времени, особенно если имеет хорошую балансировку. Со временем траектория его полета искажается, и он прилипает к генератору.
Мощный генератор Ван де Граафа способен создавать крупные молнии, поэтому зрелище от использования такого прибора действительно завораживает. В связи с этим не удивительно, что на подобные представления приходят посетители, несмотря на то, что данные устройства существуют уже почти 100 лет. Вблизи генератора начиняют гореть осветительные приборы, неподключенные к сети.
Коронным трюком с использованием генератора является поднятие волос на голове. Нужно предварительно встать на резиновый коврик, после чего одной рукой прикоснуться к шару устройства.
Как пользоваться генератором
Применение генератора требует соблюдение определенных правил. Их нарушение может вызывать неприятные последствия. Получение разряда с его сферы по ощущениям похоже на удар молнии. Конечно, это опасно, но только в том случае если применяется генератор, который создает действительно большие напряжения.
Перед применением устройства его нужно очистить от постоянно прилипающей пыли, которая обычно покрывает диэлектрическую ленту и шкивы. Специально для этого в генераторах предусматривается возможность снятия сферы. Если грязь не захочет стираться, ее можно просто смыть, но после этого устанавливать детали обратно можно только после их высыхания.
Перед включением напряжения, генератор нужно заземлить, после чего запустить привод для обеспечения вращения ленты.
Правила предосторожности
В случае включения генератора в сетевую розетку необходимо, чтобы она имела заземление. Категорически запрещено прикасаться к поверхности устройства, за исключением нахождения ног на диэлектрическом коврике.
Запрещено приближаться к работающему генератору в случае использования кардиостимулятора. Также нужно учитывать, что прибор может навредить современному техническому оборудованию. В связи с этим, перед экспериментами с генератором нужно отложить в сторону мобильный телефон и электронные часы. Включенная вблизи от генератора компьютерная техника часто испытывает помехи, поэтому начинает показывать изображение на экране с дефектами. Это продолжается на протяжении всего периода, пока работает генератор.
Технические характеристики
Первый прототип генератора, который был успешно запущен, генерировал напряжение 80 КВ. Это высокий показатель, но является практически ничтожным против современных достижений. Установки, которые используются сегодня, способны генерировать 20 млн. вольт.
Самый мощный генератор Ван де Граафа построенный в истории выдавал напряжение в 20 МВ. Именно с его помощью были открыты суперформированные ядра.
Серийно выпускаются компактные генераторы, предназначенные для использования в кабинетах физики как наглядное учебное пособие. Такие устройства значительно более безопасные, и не выдают мощные разряды. Для проведения шоу по созданию молний обычно применяются генераторы, напряжение которых на выходе составляет до 100 кВ. Они питаются от обычной сети переменного тока на 220В. Высота таких устройств составляет 40-60 см, а вес редко превышает 7 кг.
Самостоятельное изготовление
Генератор Ван де Граафа очень часто изготовляется самостоятельно любителями физических экспериментов. Сделать его совсем несложно, но конечно самоделка не питается от сети переменного тока, поэтому совершенно безопасна. Нижняя щетка прибора подключается к блоку питания зарядного устройства обыкновенного мобильного телефона. В качестве диэлектрического ремешка для натяжения между роликами применяется изолента. Вместо токопроводящей сферы устанавливается обыкновенная алюминиевая банка из-под газировки.
Подобный примитивный генератор хотя и не может генерировать зрелищные молнии, но вполне способен при работе приподнимать фольгу, заставлять уклоняться в сторону тонкую струю воды из-под крана, и питать мелкие светодиоды, от чего они светятся.
Источник
Генератор ван де граафа волосы дыбом
Начнем с простого и дойдем до классики!
А не хотите ли Вы взять обычный тонкий полиэтиленовый пакет, обвязать его по середине ниткой и обрезать полиэтилен с двух сторон от нитки, соорудив бантик, привязанный к длинной ниточке.
Берем в руки школьную пластиковую линейку, трем ее о шерстяной шарф и подносим к бантику.
Теперь любуемся полетом бантика и стараемся как можно дольше удерживать его в воздухе.
Это самый простой опыт по электризации трением, он вызывает восторг зрителей, желание попробовать сделать тоже самое самому.
Ну, и пожалуйста, кто был бы против!
А теперь возьмем в руки то, что продается в магазине!
Просто-напросто берем волшебную палочку, поднимаем вверх вырезную фигурки из фольги и, как заправский фокусник, заставляем фигурку парит в воздухе над палочкой.
Ну это, скажу я вам, не бантик!
Фигурка распрямляется, становится объемной и вот она, полностью в вашей власти, выделывает в воздухе замысловатые кульбиты.
Где же скрыт секрет?
Чем «волшебна» эта волшебная палочка, и, как говорят малые дети, что там внутри?
Вспомните ваше первое знакомство с генератором статического электричества — это ваша кошка!
Погладь и «наслаждайся» затем дергающими нервы электрическими прикосновениями …. Пробовали?
Другой известный со школы генератор статического электричества – это электрофорная машина.
И вот еще одно воплощение устройства для накопления электрических зарядов: в волшебной палочке находится миниатюрный электростатический генератор Ван де Граафа.
Генератор в волшебной палочке работает на батарейках, которые также расположены внутри палочки. При нажатии на кнопку, генератор начинает создавать на конце волшебной палочки электростатический заряд. Когда конец палочки дотрагивается до фигурки из фольги, она приобретает часть электростатического заряда палочки. Палочка и фигурка получают одноименные заряды, а такие заряды должны отталкиваться. Фигурка и палочка теперь будут отталкиваться друг от друга.
Фигурка из фольги становится объемной потому, что все её части имеют заряды одного знака. Получается эффект, словно мы из вырезанной бумажной фигурки надуваем воздушный шарик.
Через некоторое время, заряд на фигурке и палочке ослабевает, и нужно снова нажать на кнопку на палочке, чтобы накопить новый заряд статического электричества.
А настоящий большой генератор Ван де Граафа был создан американским физиком Робертом Ван де Граафом для серьезных научных исследований элементарных частиц в области атомной физики.
Идея генератора была разработана автором в 1929 году, и сначала была создана и демонстрировалась небольшая по габаритам действующая модель генератора.
Большой мощный генератор Ван де Граафа был построен и установлен на рельсы в ангаре для дирижаблей.
Генератор состоял из двух столбов, на каждом из которых сверху были установлены полые алюминиевые, надежно изолированные от земли сферы диаметром 15 футов (1 фут равен 0, 3 м) каждая.
Вертикально установленная в колонне диэлектрическая бумажная лента, склееная в кольцо, вращалась на роликах. Верхний ролик был выполнен из диэлектрика, а нижний из металла и соединён с землёй. Нижний конец ленты получал электрические заряды от источника тока, а верхний конец находился внутри металлической сферы. Щеточный электрод внутри сферы касался ленты, снимал электрический заряд и подавал его на проводящую сферу, где он равномерно распределялся по всей внешней поверхности сферы.
Такие генераторы использовались для создания высокой разности потенциалов в линейных ускорителях частиц, поэтому требовались две сферы, накапливающие разноименные заряды. Одна сфера заряжалась положительно, другая отрицательно, при достаточном накоплении зарядов между шарами происходил электрический разряд, который и исследовался физиками.
Суммарное напряжение между сферами достигало миллионов вольт. Внутри каждой сферы огромного генератора располагались научные исследовательские лаборатории.
Первоначально такие генераторы использовались в линейных ускорителях. Диаметр купола достигал несколько метров, а создаваемая разность потенциалов несколько миллионов вольт.
В настоящее время генераторы Ван де Граафа применяются в основном для моделирования процессов, например, для имитации природных грозовых разрядов.
Теперь генератор Ван де Граафа можно увидеть и в школе, выпускается миниатюрный учебный демонстрационный генератор, предназначенный для проведения демонстрационных опытов по электростатике: электризации тел и показов искрового газового разряда в воздухе.
Здесь резиновая лента приводится в движение электродвигателем, она проходит между электрически заряженными пластинами. Возникшие на внешней стороне ленты заряды переносятся на сферу, создавая достаточно сильные электростатические поля (высокие напряжения) в окружающем пространстве, а заряды с внутренней стороны ленты противоположного знака отводятся через заземление.
Генератор Ван де Граафа – это генератор статического электричества, он дает очень высокие напряжения при очень малых токах в микроамперах. Благодаря этому, используя генератор Ван де Граафа, можно демонстрировать интересные опыты, например, электризацию человеческого тела, когда волосы «встают дыбом», и опыты в темноте, показывая электрические разряды в виде маленьких молний.
Если человек встанет на изолирующую подставку, и дотронется до заряженной сферы генератора Ван де Графа, то его телу сообщится большой электрический заряд, и все волосы, получившие одноименный заряд, будут отталкиваться друг от друга и встанут дыбом.
Но «не дай бог», если человек в таком состоянии коснется заземленной батареи отопления и ощутит на себе перераспределение зарядов!
Источник
Как сделать генератор Ван де Граафа своими руками
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.
Источник