Генератор ван де граафа применение. Генератор Ван де Граафа: устройство, принцип действия и применение

ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА

ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА , устройство, генерирующее высокое напряжение с помощью концентрации электрических зарядов на внешней стороне полого ПРОВОДНИКА. Построенный Джоном КОКРОФТОМ и Эрнестом УОЛТОНОМ УСКОРИТЕЛЬ Кокрофта-Уолтона вырабатывал высокое напряжение с помощью группы заряженных КОНДЕНСАТОРОВ, соединенных последовательно. Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-67) усовершенствовал эту конструкцию, распыляя положительные или отрицательные заряды по непрерывно движущейся ленте, которая переносила их в большую полую металлическую сферу, где накапливалось напряжение. Таким образом задействованное напряжение около 50 000 вольт вырастало до 1 млн. электрон-вольт. Сегодня генератор Ван де Граафа используется в основном для «впрыскивания» частиц в более мощные линейные ускорители. см. также ЛОУРЕНС .

С помощью генератора Ван де Граафа (В) можно получить очии, высокое напряжение. Еспи тою имеющее избыток положительных ионов, поместить внутрь резср вуара, на его внутренней стороне собираются электроны,а на внешней - такое же число поло жительно заряженных ионов (А) Если заряженное тело коснется внутренней стороны, все свобод ные электроны перетекут на него, сделав его нейтральным. Внешняя сторона резервуара при этом еще удерживает положительные ионы В генераторе Ван де Граафа поло жительные ионы распыляются от соответствующего источника (1) на бесконечную ленту, которая несет их внутрь металлической сферы. Лента соединяется с внутренней поверхностью стенки с помощью проводника в форме гребня(2) Это позволяет электронам стекать на ленту. Таким образом на внеш ней стороне сферы собираются положительные ионы (3) Эффект может быть усилен соединением двух генераторов, как показано на (С).

Научно-технический энциклопедический словарь .

Смотреть что такое "ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА" в других словарях:

Миниатюрный генератор Ван де Граафа … Википедия

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; ленточный генератор, m pranc. accélérateur Van … Fizikos terminų žodynas

- … Википедия

- … Википедия

- … Википедия

- (см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. ВАН ДЕ ГРААФА ГЕНЕРАТОР … Физическая энциклопедия

ВАН ДЕ ГРААФА ГЕНЕРАТОР, см. в ст. Электростатический генератор (см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР) … Энциклопедический словарь

См. в ст. Электростатический генератор … Большой Энциклопедический словарь

Ван де Граафа ускоритель, см. Электростатический ускоритель … Большая советская энциклопедия

- [по имени амер. физика Р. Дж. Ван де Граафа (R. J. Van de Graaf; p. 1901)] электростатич. генератор пост. высокого напряжения до 20 MB и допустимой силой тока нагрузки до 1 мА. Используется в линейных ускорителях, а также в слаботочной… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Книги

• Набор "Японские опыты. Статическое электричество" (ВВ 1164/196407) , Оказывается, электричество бывает разным. В одних случаях оно течет, а в других накапливается. И если о течении электричества по проводам мы узнаем, когда включаем электроприборы, то как… Категория:

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.

Генератор Ван де Граафа активно используется в различных лабораториях, а также его можно встретить в политехнических музеях и всех тех местах, где проводятся эксперименты с электричеством. Это устройство способно создавать электростатический ток мощностью в несколько тысяч вольт.
Такое название генератор получил в честь голландского физика Р. Дж. Ван де Граафа, которым в 1931 году была создана эта интересная машина. Сегодня подобные установки активно демонстрируются в школе на уроках физики, их называют электрофорными машинами. В этой статье речь пойдет о том, как своими руками можно сделать уменьшенную копию такого генератора из подручных материалов.


Материалы и инструменты для самоделки :

- маленький гвоздь;
- пустые алюминиевые банки от напитков;
- кольцевая резинка (около 0.5 см шириной и диаметром 8-10 см);
- маленький электрический моторчик (от игрушки, фена и т.п.);
- стеклянный предохранитель (размер 5x20 мм);
- «крокодильчик» (зажим);
- фиксатор для батареи;
- бумажный стаканчик или чашка из пенополистирола;
- тюбик клея для пластика или пистолет с горячим клеем;
- два куска медного провода;
- два куска сантехнической ПВХ трубы диаметром 3/4 дюйма;
- муфта из ПВХ на 3/4 дюйма;
- сантехнический тройник 3/4 дюйма;
- деревянная подставка и изолнета.

Шаг первый. Собираем корпус генератора
Корпус генератора состоит из ПВХ труб, в качестве основы используется деревянная подставка. Сперва нужно взять основание и приклеить к нему кусок пластиковой трубы длиной 5-7 см (диаметр используемых труб 3/4 дюйма). Далее на эту трубу надевается ПВХ сантехнический тройник. Благодаря такой конструкции устройство можно будет легко разобрать, если понадобится заменить резинку или провести какие-либо другие работы внутри.

Теперь можно устанавливать двигатель, он вставляется в отверстие тройника и располагается горизонтально. Если окажется, что диаметр моторчика будет слишком маленьким, его нужно обмотать изолентой, он должен входить в корпус тройника с некоторым усилием. Чтобы вал двигателя мог взаимодействовать с резинкой, на него нужно надеть кусочек трубочки. Подойдет ампула гелиевой ручки или лучше всего мягкий резиновый кембрик от провода, это будет обеспечивать отличное сцепление с лентой.

Шаг второй. Делаем вторую ось
Теперь нужно взять еще один кусок ПВХ трубы и отрезать от него кусок в 5-7 сантиметров, он будет вставляться в верхнюю часть тройника. Длина этого куска трубы должна быть такой, чтобы резинка не была слишком сильно натянута, иначе она не сможет вращаться. Но лента и не должна сильно провисать. После того как будет достигнута определенная длина, резинку можно временно зафиксировать вверху гвоздем.

Ну а далее останется подключить вторую щетку, как и в первом случае нужно расправить щетину на проводе и сделать так, чтобы он находился от ленты на минимальном расстоянии, но не касался ее. Провод фиксируется скотчем или клеем.

Опять же, чтобы система проще разбиралась, можно сделать верхнюю часть съемной, используя муфту для пластиковой трубы. Как это сделать, можно увидеть на фото.

После этого можно устанавливать алюминиевую банку, для этого в верхней ее части нужно вырезать отверстие, подходящее по диаметру к стаканчику. Банка должна плотно сесть на него.

Благодаря закругленным краям, такая банка отлично подходит для работы с высоким напряжением, поскольку минимизируется «коронный разряд». Также нужно не забыть пропустить внутрь банки свободный конец провода от верхней щетки.

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.

Генератор Ван де Граафа изобрели в первой половине прошлого века. Он использовался для разных целей, в том числе для ядерных испытаний. Со временем спектр применения существенно сузился. В наши дни его можно свободно приобрести и демонстрировать детям левитацию разных объектов. Также генератор возможно соорудить самостоятельно, тогда он станет хорошей учебной моделью для проведения различных опытов.

Хотите превратиться в волшебника? Возьмите обычный полиэтиленовый пакет, обрежьте два конца и плотно перевяжите ниточкой - должен получиться бантик. После этого простую пластиковую линейку потрите обо что-то шерстяное и поднесите к бантику: начнется настоящий полет!

Готовая «волшебная палочка» и фигурки, с которыми можно проделать подобные фокусы, можно купить в магазинах.

А вот игрушки, копирующие модель генератора, работают от аккумуляторных батарей. Если нажимать на кнопку, на его конце возникает электростатический заряд, переходящий на фигурки, отталкивающий заряды друг от друга. У фигурки имеется определенный вырез, она надувается и увеличивается объем. При ослабевании заряда нужно нажать на кнопку еще раз.

Экскурс в историю

Конечно, электростатический генератор - не только игрушка для детей. Американский ученый создал свое изделие, проводя серьезные исследования в области атомной физики. Первый демонстрационный образец увидел мир в 1929 году, он имел небольшие размеры. Более внушительно выглядел трибогенератор, что был установлен на рельсах дирижаблей. В состав конструкции входили два столба, сверху на них прикрепили полые алюминиевые сферы диаметром 15 футов.

В 1931 и 1933 годах соорудили две установки, мощность которых достигала невероятных значений - до семи миллионов вольт, а первый образец - всего лишь 80 киловольт.

Внутри наблюдается вращение вертикальной диэлектрической бумажной ленты. Ролик, размещенный в верхней части, - диэлектрик, а тот, что находится снизу, - металлический и соединяется с землей. Щеточный электрод сферы отвечает за снятие и подачу заряда, что равномерно распределяется в ней. Рядом с нижним электродом происходит ионизация воздушных масс, полезные осядут на ленте, и верхняя часть начнет заряжаться.

Для получения высокой разницы потенциалов линейных ускорителей частиц (именно с этой целью и разработали подобный генератор) используют две сферы с неодинаковыми зарядами. В одной собираются положительные, а в другой - отрицательные. При определенной концентрации проскакивал электрический заряд. Именно его исследовали. Напряжение могло составят несколько миллионов вольт.

Ранее приспособления применялись при проведении ядерных исследований, ускорении частиц. После появления других способов решений указанных задач их применение существенно сократилось. В наше время такие генераторы служат для моделирования. Например, они помогают имитировать природные газовые разряды. Но ленты теперь заменили на цепи со пластиковыми и железными звеньями, размещенными поочередно.

Изготовление своими руками

Модель нетрудно собрать самому, применяя подручные материалы. Генератор, собранный своими руками, будет составлен из таких элементов, как:

Обратите внимание, что все компоненты должны быть полностью сухими, на одном уровне с температурой воздуха в рабочем помещении. Иначе модель может не работать совсем или подавать слишком слабые импульсы. Подробную схему и видео по созданию генератора Ван де Граафа можно найти в сети Интернет.

Чтобы сделать самодельный генератор, просверлите отверстие на доске, которая станет основанием. Выберите нужный диаметр сверла , оно должно быть в форме пера. Затем проделайте на трубке пару отверстий: первое сверху, второе снизу - для паст, потом еще два - выше первого и перпендикулярно нижнему.

Далее, пасты чистят от чернил. Вырезается кусок соответственно диаметру трубы. Скрепка выпрямляется, она должна на 1 сантиметр выступать за пределы трубки. Скотч используется как основание диэлектрической ленты. Им следует обклеить резинку так, чтобы она с двух сторон была липкой.

Предварительно подготовленные элементы собирают.

Добавляются щетки, в них собирается заряд. Снизу кисть должна пройти через отверстие , кончик оставляют распушенным. Кисти располагаются близко к резинке, но не соприкасаются с ней. Верхняя продевается через ближайшее отверстие. Затем фольгой плотно обклеивается нерабочая лампочка. К фольге плотно прикрепляют верхний провод. Лампочку оставляют в верхней части конструкции.

Генератор готов к применению .

Опыты с генератором

Устройство обязательно следует разряжать после каждого использования, в работе проявлять осторожность, ведь поражение током может привести к летальному исходу.