На уроках фізики, щоб показати дія, що здійснюється статичним електрикою, демонструють генератор Ван де Граафа. Незвичайний пристрій, пускаючи в різні боки мініатюрні блискавки, приводить у захват учнів. Але мало хто знає, що генератор також використовувався для дослідів у сфері ядерної фізики.

Історія створення

Американський фізик Роберт Ван де Грааф (1901-1967), працював у Прінстонському університеті, увійшов в історію як творець електростатичного прискорювача елементарних частинок.

Перший опис генератора Ван де Граафа було зроблено в 1929 році, а через два роки він створив високовольтний прискорювач, який міг видавати електричне напруга 1 МВ. У 1935 році вдосконалена конструкція виробляла вже 7 мегавольт.

Генератор Ван де Граафа згодом став основою для сучасної різновиди лінійного прискорювача, названого пеллетроном. Різниця між ними полягала в способі передачі заряджених частинок. Якщо у генератора вони передавалися за допомогою діелектричної стрічки, то у пеллетрона – металевим ланцюгом.

Принцип дії

Конструкція генератора дозволяє робити його як в горизонтальному виконанні, так і у вертикальному. Основною його частиною є велика металева сфера, на поверхні якої відбувається накопичення заряджених частинок. Усередині корпусу з ізольованого матеріалу знаходяться два ролика, сполучених між собою діелектричної стрічкою. Спочатку вона була виконана з шовку і гуми, а згодом замінена ланцюгом.

Нижній ролик має заземлення і з’єднання з малої сферою, також у нього є привід для обертання. Верхній ролик через металеву щітку з’єднаний з великою сферою.

По мірі обертання нижнього ролика відбувається іонізація повітря з подальшим перенесенням заряджених частинок до верхнього ролика. Через металеву щітку потік іонів переноситься на поверхню великої сфери, де накопичується у вигляді електростатичного заряду.

Потужність генератора Ван де Граафа обмежена коронним розрядом, створює світиться оболонку навколо зарядженого електрода.

Де застосовується генератор

Спочатку пристрій застосовувалося для розгону заряджених частинок, але з часом з’явилися більш досконалі прискорювачі, і необхідність в ньому відпала. В даний час досліди з генератором Ван де Граафа ставляться в основному для моделювання процесів, що відбуваються під час грозових розрядів.

У сучасних школах це пристрій є стандартним обладнанням фізичних кабінетів. На території колишнього СРСР генератор не випускався. У школах для дослідів використовували электрофорная машина Вимшурста, яка згодом була названа «Розряд».

Здатність генератора видавати розряди використовується в різних шоу-програмах і циркових трюках. Він може створювати поле, яке утримує в повітрі невеликі предмети, а потужний заряд дозволяє працювати електричних приладів далеко від джерела електрики.

Запобіжні заходи

Як будь-який пристрій, що створює високу напругу, генератора Ван де Граафа вимагає заходів безпеки при роботі з ним. Розряду неважливо, де виникати: між різнополярними електродами або між зарядженим електродом і тілом людини. Досить суттєвої різниці в потенціалах. Тому при роботі з генератором людина повинна перебувати на гумовому килимку, щоб його потенціал залишався нейтральним по відношенню до накопиченого заряду.

Якщо людина буде знаходитися на підлозі, тим більше на вологому, то він стане відмінним провідником для передачі заряджених частинок землі, і через його тіло пройде розряд величиною в кілька тисяч, а може, і мільйонів вольт. Єдине, що може дозволити людині залишитися в живих — це мала сила струму.

Люди, що мають кардіостимулятори, не повинні наближатися до генератора. Електронні пристрої, такі як годинник, стільникові телефони, можуть давати збій в роботі. Тому перед початком експериментів потрібно залишити їх в стороні.

Перед початком роботи

Елементи генератора, такі як стрічки, шківи, сфера, притягують до себе пил, як магніт. Перед початком роботи потрібно очистити механізми. Для цього потрібно зняти велику сферу та вологою ганчіркою протерти деталі пристрою. Якщо накопичений заряд не дозволяє позбутися від пилу, то можна застосувати спрей-антистатик для волосся.

Найважливіше, що потрібно зробити до початку обертання генератора — це переконатися в заземленні малого електрода. Інакше розряд буде бити в об’єкт, що володіє більшою масою, тобто в людини.

З чого зібрати генератор в домашніх умовах

Тепер, коли принцип дії генератора Ван де Граафа відомий, можна самостійно зібрати діючу модель для домашніх експериментів. Після невеликих випробувань з’ясувалося, що для отримання заряджених частинок найкраще підходить труба ПВХ для водопроводу. Якщо її потерти синтетичним матеріалом, який з’явився в ній заряд дозволять притягати дрібні папірці, відхиляти струмінь води, що падає вниз. Тому ПВХ-труба стане джерелом заряджених частинок.

А що буде переносити електрони на сферу генератора? Досліди показали, що краще всього підходить медичний бинт Мартенса. Він складається з поліестеру, латексу і бавовняної тканини.

Тепер, коли визначилися з основними робочими частинами, складається повний список необхідних матеріалів:

Велика металева сфера. Вона виготовляється з двох великих салатниць, що продаються в найближчому гіпермаркеті.

Труба ПВХ. Потрібно 2 відрізка різного діаметра. Перший стане корпусом генератора, а другий потрібно підібрати таким чином, щоб він щільно надівався на шків, з’єднаний з приводом.

Верхній шків. Можна використовувати будь-який предмет, на якому трималася стрічка, не соскакивая. Наприклад, стару втулку від велосипедного колеса або велику пластикову котушку з бортами.

Відрізок мідного багатожильного дроти. З нього будуть виготовлені щітки, знімають і передають заряд.

Малопотужний електродвигун. Буде потрібно для обертання нижнього шківа. Проте якщо є бажання, то привід можна зробити ручною.

Металеві планки для опори генератора, а також для фіксації шківів на ПВХ труби.

Металевий ополоник. Буде виступати в ролі малого електрода.

Збірка генератора Ван де Граафа своїми руками

Коли всі матеріали підготовлені, можна приступити до виготовлення:

З металевих планок зробити прямокутну основу для генератора. Її потрібно виконати у формі квадрата. Розміри повинні забезпечувати стійкість конструкції. Також потрібно передбачити кріплення під електродвигун.

Закріпити на валу електродвигуна нижній шків. Робоча поверхня його повинна бути закрита шматком труби ПВХ, який відрізається по ширині бинти Мартенса.

Закріпити на платформі електродвигун таким чином, щоб шків знаходився по її центру.

Над шківом прикріпити у вертикальному положенні трубу ПВХ діаметром 150 мм По довжині вона повинна бути 50-60 див. Щоб було легко знімати і одягати стрічку, труби потрібно зробити осьовий отвір шириною 4-5 див

На верхню частину вертикальної труби потрібно встановити другий шків. Робиться це за допомогою кріпильних скоб.

Виготовити з салатниць сферу. Для цього на одній з них вирізати в нижній частині отвір точно по діаметру труби. До цієї ж салатниці по периметру потрібно припаяти кілька скоб, які будуть утримувати другу половину.

Зробити щітку з багатожильного дроти. Для цього зняти ізоляцію на відрізку 2-3 см і розвести пучок на окремі дроти. Щітку одним кінцем потрібно закріпити так, щоб вона стосувалася верхнього шківа, а інший кінець потрібно припаяти до сфері.

Щоб з ополоника зробити електрод, потрібно з’єднати рукоятку з металевою основою генератора і виконати заземлення. Ручку треба ізолювати. Для цього підійде та ж ПВХ труба невеликого діаметру.

Прототипи генератора Ван де Граафа на фото столітньої давності мало відрізняються від пристрою, зробленого своїми руками. Тепер, коли прилад повністю готовий, можна приступати до дослідам.