Генератор Ван де Граафа своими руками. Описание и принцип работы

Регистрация / Вход

Дата публикации: 6 ноября 2019

Начало XX века поставило ученых перед необходимостью искать способы получения и накопления огромного количества электрической энергии, достаточной для запуска массивных машин и механизмов. История сохранила сведения о многочисленных исследованиях и научных разработках, одни из которых были откровенно неудачными, а другие, напротив, заставили говорить о себе с точки зрения научного и практического интереса. Среди последних – труды Роберта Ван де Граафа, создавшего электростатический генератор с уникальной конструкцией. Несколько миллионов вольт электрической энергии – более чем достаточно, тем более что речь идет о 30-х годах прошлого столетия, когда мир сотрясали громкие военные и революционные катаклизмы, сдерживающие развитие науки. Некоторое время изобретатель пожинал плоды своей славы, а его генератор нашел широкое применение в качестве линейного ускорителя. Но уже спустя непродолжительное время на смену громоздкому устройству пришли более компактные и мощные модели, отодвинув свой прототип на задний план истории и практической физики.

Позже изобретение Ван де Граафа было названо его именем и даже нашло свое скромное практическое применение – демонстрация опытов по ускорению частиц и накоплению электроэнергии. А заложенные изобретателем основы были использованы в качестве базы для усовершенствования ускорителей с целью их практического применения.

История создания

Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-1967), работавший в Принстонском университете, вошел в историю как создатель электростатического ускорителя элементарных частиц.

Первое описание генератора Ван де Граафа было сделано в 1929 году, а через два года он создал высоковольтный ускоритель, который мог выдавать электрическое напряжение 1 МВ. В 1935 году усовершенствованная конструкция вырабатывала уже 7 мегавольт.

Генератор Ван де Граафа впоследствии стал основой для современной разновидности линейного ускорителя, названного пеллетроном. Разница между ними заключалась в способе передачи заряженных частиц. Если у генератора они передавались при помощи диэлектрической ленты, то у пеллетрона — металлической цепью.

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.

Принцип действия

Конструкция генератора позволяет делать его как в горизонтальном исполнении, так и в вертикальном. Основной его частью является большая металлическая сфера, на поверхности которой происходит накопление заряженных частиц. Внутри корпуса из изолированного материала находятся два ролика, соединенных между собой диэлектрической лентой. Изначально она была выполнена из шелка и резины, а впоследствии заменена цепью.

Нижний ролик имеет заземление и соединение с малой сферой, также у него есть привод для вращения. Верхний ролик через металлическую щетку соединен с большой сферой.

По мере вращения нижнего ролика происходит ионизация воздуха с последующим переносом заряженных частиц к верхнему ролику. Через металлическую щетку поток ионов переносится на поверхность большой сферы, где накапливается в виде электростатического заряда.

Мощность генератора Ван де Граафа ограничена коронным разрядом, создающим светящуюся оболочку вокруг заряженного электрода.

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.

Где применяется генератор

Изначально устройство применялось для разгона заряженных частиц, но со временем появились более совершенные ускорители, и необходимость в нем отпала. В настоящее время опыты с генератором Ван де Граафа ставятся в основном для моделирования процессов, происходящих во время грозовых разрядов.

В современных школах это устройство является стандартным оборудованием физических кабинетов. На территории бывшего СССР генератор не выпускался. В школах для опытов использовалась электрофорная машина Вимшурста, которая была впоследствии названа «Разряд».

Способность генератора издавать разряды используется в различных шоу-программах и цирковых трюках. Он может создавать поле, удерживающее в воздухе небольшие предметы, а мощный заряд позволяет работать электрическим приборам вдали от источника электричества.

Детские фокусы

Хотите сотворить «волшебство»? Возьмите пакет из полиэтилена, обрежьте оба конца и завяжите на ниточке, чтобы получился бантик. Затем обычную линейку из пластика хорошенько потрите о шерстяную вещь и поднесите ее к бантику: начнется полет…

Готовую «волшебную палочку» с фигурками, с которыми можно делать такие фокусы, можно и купить в магазине.

Но самый простой вариант увидеть «волшебство» — это просто погладить кошку. Тогда можно и почувствовать, и увидеть возникшее статическое электричество.

А вот игрушка, повторяющая конструкцию генератора Ван де Граафа, работает на аккумуляторной батарее. Когда нажимают на кнопку, на кончике создается электростатический заряд. Поэтому фигурка перенимает его, и одноименные заряды начинают отталкиваться друг от друга. Так как фигурка вырезана определенным образом, она «надувается» и получает объем. Если заряд ослабевает, то нужно просто еще раз нажать на «волшебную» кнопку.

Меры предосторожности

Как любое устройство, создающее высокое напряжение, генератора Ван де Граафа требует мер предосторожности при работе с ним. Разряду неважно, где возникать: между разнополярными электродами или между заряженным электродом и телом человека. Достаточно существенной разницы в потенциалах. Поэтому при работе с генератором человек должен находиться на резиновом коврике, чтобы его потенциал оставался нейтральным по отношению к накопленному заряду.

Если человек будет находиться на полу, тем более на влажном, то он станет отличным проводником для передачи заряженных частиц земле, и через его тело пройдет разряд величиной в несколько тысяч, а может, и миллионов вольт. Единственное, что может позволить человеку остаться в живых — это малая сила тока.

Люди, имеющие кардиостимуляторы, не должны приближаться к генератору. Электронные приспособления, такие как часы, сотовые телефоны, могут давать сбой в работе. Поэтому перед началом экспериментов нужно оставить их в стороне.

Что нужно для самостоятельной сборки прибора

Модель несложно соорудить самостоятельно из подручных средств. Генератор Ван де Граафа, своими руками собранный, состоит из следующих составляющих:

• карандаша;
• обрезка трубы ПВХ;
• резинки;
• скрепки;
• фольги из алюминия;
• двигателя от игрушки;
• неработающей лампочки;
• сухих паст от ручки;
• батарейки на девять вольт;
• скотча;
• провода;
• дощечки.

Все элементы должны быть сухими, так же, как и воздух в помещении. В противном случае работать конструкция просто не будет или будет, но очень слабо.

Вот какой получится генератор Ван де Граафа. Фото ниже показывает, как должна выглядеть модель.

Перед началом работы

Элементы генератора, такие как ленты, шкивы, сфера, притягивают к себе пыль, как магнит. Перед началом работы нужно очистить механизмы. Для этого нужно снять большую сферу и влажной тряпочкой протереть детали устройства. Если накопленный заряд не позволяет избавиться от пыли, то можно применить спрей-антистатик для волос.

Самое важное, что нужно сделать до начала вращения генератора — это убедиться в заземлении малого электрода. Иначе разряд будет бить в объект, обладающий большей массой, то есть в человека.

Из чего собрать генератор в домашних условиях

Теперь, когда принцип действия генератора Ван де Граафа известен, можно самостоятельно собрать действующую модель для домашних экспериментов. После небольших испытаний выяснилось, что для получения заряженных частиц лучше всего подходит труба ПВХ для водопровода. Если ее потереть синтетическим материалом, то появившийся в ней заряд позволят притягивать мелкие бумажки, отклонять струю воды, падающей вниз. Поэтому ПВХ-труба станет источником заряженных частиц.

А что будет переносить электроны на сферу генератора? Опыты показали, что лучше всего подходит медицинский бинт Мартенса. Он состоит из полиэстера, латекса и хлопчатобумажной ткани.

Теперь, когда определились с основными рабочими частями, составляется полный список необходимых материалов:

1. Большая металлическая сфера. Она изготавливается из двух крупных салатниц, продающихся в ближайшем гипермаркете.
2. Труба ПВХ. Потребуется 2 отрезка разного диаметра. Первый станет корпусом генератора, а второй нужно подобрать таким образом, чтобы он плотно надевался на шкив, соединенный с приводом.
3. Верхний шкив. Можно использовать любой подходящий предмет, на котором бы держалась лента, не соскакивая. Например, старую втулку от велосипедного колеса или большую пластиковую катушку с бортами.
4. Отрезок медного многожильного провода. Из него будут изготовлены щетки, снимающие и передающие заряд.
5. Маломощный электродвигатель. Потребуется для вращения нижнего шкива. Однако если есть желание, то привод можно сделать ручной.
6. Металлические планки для опоры генератора, а также для фиксации шкивов на ПВХ трубе.
7. Металлический половник. Будет выступать в роли малого электрода.

Сборка генератора Ван де Граафа своими руками

Когда все материалы подготовлены, можно приступить к изготовлению:

1. Из металлических планок сделать прямоугольную основу для генератора. Ее нужно выполнить в форме квадрата. Размеры должны обеспечивать устойчивость конструкции. Также нужно предусмотреть крепление под электродвигатель.

2. Закрепить на валу электродвигателя нижний шкив. Рабочая поверхность его должна быть закрыта куском ПВХ трубы, который отрезается по ширине бинта Мартенса.
3. Закрепить на платформе электродвигатель таким образом, чтобы шкив находился по ее центру.
4. Над шкивом прикрепить в вертикальном положении трубу ПВХ диаметром 150 мм. По длине она должна быть 50-60 см. Чтобы было легко снимать и надевать ленту, на трубе нужно сделать осевой вырез шириной 4-5 см.
5. На верхнюю часть вертикальной трубы нужно установить второй шкив. Делается это с помощью крепежных скоб.

6. Изготовить из салатниц сферу. Для этого на одной из них вырезать в нижней части отверстие точно по диаметру трубы. К этой же салатнице по периметру нужно припаять несколько скоб, которые будут удерживать вторую половину.

7. Сделать щетку из многожильного провода. Для этого снять изоляцию на отрезке 2-3 см и развести пучок на отдельные провода. Щетку одним концом нужно закрепить так, чтобы она касалась верхнего шкива, а другой конец нужно припаять к сфере.
8. Чтобы из половника сделать электрод, нужно соединить рукоятку с металлической основой генератора и выполнить заземление. Ручку надо изолировать. Для этого подойдет та же ПВХ труба небольшого диаметра.

Прототипы генератора Ван де Граафа на фото столетней давности мало отличаются от устройства, сделанного своими руками. Теперь, когда прибор полностью готов, можно приступать к опытам.