Генератор ван де граафа

Что такое генератор Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты.

В начале 1930-х годов доктор Роберт Ван де Грааф, работавший на тот момент научным сотрудником в Массачусетском технологическом институте и занимавшийся научными исследованиями в области ядерной физики и ускорительной техники, разработал, спроектировал и в скором времени соорудил высоковольтный электростатический ускоритель, работающий по принципу электризуемой ионами воздуха конвейерной ленты (1933).

Позже, в 1936 году, Ван де Граафом был построен (все по тому же принципу) самый большой в мире электростатический генератор постоянного напряжения — тандемный генератор Ван де Граафа, состоящий из двух высоких башен.

Газеты того времени называли изобретение доцента не иначе как революционным, предрекали ему «свершать чудеса» и «открывать тайны природы».

Столь сильный ажиотаж в прессе вовсе не удивителен, ведь самый большой двухкаскадный генератор Ван де Граафа состоял из двух огромных колонн диаметром почти по 2 метра каждая и высотой примерно по 15 метров (с закрепленными сверху на колоннах металлическими сферами диаметром по 4,5 метра, внутрь которых механически подавался электрический заряд) и позволял получать разность потенциалов в 7000000 вольт.

Несмотря на низкий КПД устройства в целом (порядка 23%), люди, видевшие чудесный прибор в работе, испытывали неизгладимое впечатление, ведь искровые разряды получались более метра длиной.

Мощности генератора Ван де Граафа хватало для реальной исследовательской работы, — для ускорения атомных ядер, а также элементарных частиц, таких как протоны и электроны, до достаточно высоких скоростей. Так генератор Ван де Граафа, использованный в ускорителях, помогал ученым выявлять составные части атомов, являющие собой структуру физической вселенной.

Говорят, идея относительно принципа работы высоковольтного генератора пришла Ван де Граафу, когда он был еще студентом и наблюдал то и дело проскакивавшие искры статического электричества на работающем печатном станке.

Принцип действия генератора заключается в следующем.

Шелковая или резиновая лента (диэлектрическая лента) натянута и вращается подобно конвейерной ленте на паре роликов, один из которых находится в основании колонны, второй — внутри полости проводящей сферы наверху. Нижний ролик изготовлен из металла и гальванически соединен с землей, он приводится во вращение двигателем. Верхний ролик — диэлектрический.

К ленте снизу, под нижним роликом, с небольшим зазором подведена металлическая щетка, соединенная с положительной клеммой источника высокого напряжения, отрицательная клемма которого присоединена непосредственно к нижнему ролику.

Итак, между нижним роликом и щеткой движется диэлектрическая лента (в реальном генераторе лента имела ширину около 120 см).

Под действием высокого напряжения (порядка 20000 вольт) между роликом и щеткой, воздух между ними ионизируется и положительные ионы воздуха, влекомые силой Кулона, устремляются к отрицательно заряженному ролику.

Но поскольку на пути ионов находится диэлектрическая лента, ионы оседают на ленте, заряжая ее таким образом.

Лента движется снизу вверх, внизу она непрерывно получает заряд, одновременно с этим заряд с ее поверхности непрерывно забирается возле верхнего ролика, так как верхний ролик внутри сферы тоже имеет расположенную рядом с собой щетку.

Щетка снимает заряд с ленты, и будучи соединена гальванически с внутренней поверхностью полой проводящей сферы, передает ей заряд, все больше и больше электризуя эту сферическую емкость по всей ее наружной поверхности, по сути нагнетая, накачивая в нее заряд.

Принципиальная возможность накопления заряда в емкости сферы генератора Ван де Граафа ограничивается коронным разрядом, который неизбежно возникнет из-за ионизации окружающего сферу воздуха. Теоретический предел для сферы диаметром 4,5 метра составляет примерно 17000000 вольт.

Американский ученый Джеймс Стаки и доброволец Джуди Криден демонстрируют способность человеческого организма проводить электрический ток. Лекция в Нью-Йорке, 1966 г.

Ранее ЭлектроВести писали, что изобретен генератор для кораблей, который преобразует выхлопы в электричество.

По материалам electrik.info.

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.

Генератор Ван де Граафа

В различных областях науки и техники используются ускорители заряженных частиц — электронов, протонов, ионов. Такие ускорители могут быть построены на различных принципах. В том числе, на электростатическом принципе.

Одним из типов генераторов, построенных на таком принципе, является генератор Ван де Граафа.

В этом приборе, который был изобретен в 1929 году профессором Массачусетского университета Ван де Граафом, использовался принцип создания поля сверхвысокого напряжения путем электризации ленты из диэлектрика, которая передвигается с помощью двигателя.

Конструкция и принцип действия

• бесконечная диэлектрическая резиновая или шелковая лента, двигающаяся со скоростью 20-40 м/c на 2-х вращающихся шкивах;
• 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика, например, акрилового стекла;
• полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив. Этот электрод укреплен на изоляторе;
• источник высокого напряжения.

Нижний шкив заземлен. На электрод, находящийся вблизи этого шкива, подается высокое напряжение. На небольшом расстоянии от верхнего и нижнего шкивов установлены электроды, выполненные в виде щетки или гребенки. Верхний электрод соединен с полой полусферой.

Принцип работы прибора

Под воздействием высокого напряжения в воздушном слое, находящимся между нижним щеточным электродом и нижним шкивом, образуются положительно заряженные ионы.

Эти ионы притягиваются к металлическому шкиву, оседают на диэлектрической ленте и транспортируются к полому полусферическому электроду. С помощью верхнего щеточного электрода эти ионы снимаются с ленты и попадают на поверхность сферического электрода.

С течением времени происходит накапливание заряда и повышение потенциала этого электрода относительно земли.

Максимальная величина получаемого напряжения определяется напряжением разряда, возникающего вокруг сферического электрода в результате ионизации окружающего электрод воздуха. При увеличении диаметра сферы это напряжение возрастает.

Для его увеличения в установках с относительно небольшой сферой прибор помещают в герметический корпус, который наполняется под давлением в 20 атмосфер газами с большой электрической прочностью. К таким газам относятся азот, фреон и другие газы. Такой корпус, выполненный из изоляционных материалов, служит также для обеспечения безопасности людей.

Тандемный генератор

Тандемный генератор состоит из 2-х каскадов. В таком генераторе создаются отрицательные ионы, которые летят в сторону находящегося под высоким положительным потенциалом электрода, находящегося в середине заполненного газом сосуда.

Проходя через находящийся внутри электрода канал, отрицательные ионы, имеющие энергию в 10 МэВ, отдают свои электроны и превращаются в положительные ионы. Далее пучок этих положительных электронов перемещается в сторону электрода, имеющего нулевой потенциал.

Таким образом, можно получить пучок протонов с удвоенной энергией.

Использование

Генераторы Ван де Граафа часто применяются в исследованиях атома и в медицине.

Во втором случае генераторы применяются для лучевой терапии и исследований. При этом пучки частиц ударяются в мишень и создают жесткое излучение.

Кроме того, такие генераторы могут быть использованы в качестве учебных пособий для демонстрации явлений электростатики, а также для исследования грозовых разрядов и ударов молнии.

Технические характеристики

1-й генератор данного типа вырабатывал напряжение в 80 кВ. В дальнейшем изобретатель получил напряжения в 1 МВ и 7МВ. При этом напряжение первичного источника было 50 кВ.

Современные установки позволяют получить с помощью этого генератора напряжения в 20 миллионов вольт. Для этого используются тандемные установки. При этом ток в пучках может достичь нескольких мА, а энергия частиц – 40-50 МэВ.

Для получения частиц с большей энергией используются более мощные установки – циклотроны, коллайдеры.

Наиболее мощный генератор Ван де Граафа был использован в английской лаборатории Daresbury, в которой с 1983 по 1993 годы проводились ядерные эксперименты. В установке был использован тандемный генератор, развивающий напряжение в 20 МВ. Этот генератор располагался в здании высотой в 70 м. Важнейшим открытием, выполненным с помощью этой установки, было открытие супердеформированных ядер.

До войны в Советском Союзе был также построен большой генератор такого типа. На 2-х фарфоровых изоляторах были установлены металлические шары диаметром в 5 м. Напряжение между шарами достигало 15 МВ. При разряде появлялись молнии размеров в 15 м. При этом время заряда достигало 10 минут, а средняя мощность установки была менее 100 Вт.

Генераторы для опытов и образования

Генераторы Ван де Граафа могут быть использованы для проведения опытов в области физики и электростатики. При этом большое количество генераторов имеется в продаже. Также в Интернете приведено много разных схем и конструкций для самостоятельного изготовления генератора.

Примером такого устройства является генератор, производимый немецкой компанией 3B Scientific GmbH. Цена такого прибора 104076 руб.

Основные характеристики прибора:

• создаваемое напряжение около 100 кВ;
• ток короткого замыкания-15 мкА;
• питание двигателя от сети переменного тока;
• мощность потребления -13 ВА;
• размеры -240х120х620 мм;
• размеры шара – диаметр 90 мм, высота 420 мм;
• вес генератора -5,8 кг.

При работе с данным прибором необходимо выполнять ряд требований по технике безопасности:

1. Данный прибор может представлять опасность для близко стоящих к прибору людей, у которых вживлен кардиостимулятор.
2. Компьютерам и другим электронным приборам он может создавать ВЧ помехи.
3. Нельзя использовать прибор во влажных помещениях.
4. Нельзя прикасаться к цепям прибора.
5. Включать прибор можно только в сетевую розетку, имеющую заземление.
6. При замене предохранителя необходимо обязательно отключать прибор от сети.

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.

Похожие темы:

Генератор Ван де Граафа в действии

เพจที่เกี่ยวข้องดูทั้งหมด

Pro Електрик ผู้ติดตาม 1,379 คน · ความสนใจ	Электрик Инфо ผู้ติดตาม 7,488 คน · ช่างไฟฟ้า	Вольтен ผู้ติดตาม 19,685 คน · ธุรกิจท้องถิ่น	Электромонтаж ผู้ติดตาม 1,440 คน · บริษัทด้านพลังงาน
Самоделки ผู้ติดตาม 3,578 คน · เครื่องมือ/อุปกรณ์	Юмор электрика ผู้ติดตาม 13,253 คน · นิตยสาร	Мерзкий Электрик ผู้ติดตาม 9,514 คน · กีฬา	Радиоэлектроника для начинающих ผู้ติดตาม 2,188 คน · บล็อกส่วนตัว
Наука и Техника ผู้ติดตาม 13,209 คน · นิตยสาร	Ліга інженерів України ผู้ติดตาม 18,801 คน · เว็บไซต์ข่าวและสื่อ	Добрый Повар ผู้ติดตาม 487,098 คน · ห้องครัว/การทำอาหาร	Евгений Черняк ผู้ติดตาม 9,442 คน · บุคคลสาธารณะ