» » » » » » Generator Van de Graaff

Generator Van de Graaff

postat în: Electromagnetism | 0
Generator Van de Graaff
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Van_de_graaff_generator_sm.jpg

(Generator mic Van de Graaff utilizat în scopuri educaționale. )

Un generator Van de Graaff este un generator electrostatic care utilizează o bandă în mișcare pentru a acumula sarcina electrică pe un glob metalic gol din vârful unei coloane izolate, generând potențiale electrice foarte mari. Produce electricitate de curent continuu (CC) de foarte înaltă tensiune la niveluri scăzute de curent. A fost inventat de fizicianul american Robert J. Van de Graaff în 1929. Diferența de potențial realizată de generatoarele moderne Van de Graaff poate ajunge la 5 megavolți. Se pot produce tensiuni de ordinul a 100.000 de volți și se poate stoca suficientă energie pentru a produce o scânteie vizibilă. Mașini Van de Graaff mici sunt produse pentru divertisment, și în scopuri educaționale pentru a preda electrostatica; cele mai mari sunt expuse în muzee ale științei.

Generatorul Van de Graaff a fost dezvoltat ca un accelerator de particule pentru cercetarea în fizică; potențialul său ridicat este folosit pentru a accelera particulele subatomice la viteze mari într-un tub evacuat. Acesta a fost cel mai puternic tip de accelerator din anii 1930, până când a fost dezvoltat ciclotronul. Generatoarele Van de Graaff sunt încă folosite ca acceleratoare pentru a genera particule energetice și raze X pentru cercetarea nucleară și medicina nucleară.

Acceleratoarele Van de Graaff cu fascicul de particule sunt adesea folosite într-o configurație „tandem”: în primul rând, ionii încărcați negativ sunt injectați la un capăt către terminalul cu potențial ridicat, unde sunt accelerați de forța atractivă spre terminal. Când particulele ajung la terminal, din ele sunt extrași electroni pentru a le încărca pozitiv, și apoi sunt accelerate de forțele repulsive departe de terminal. Această configurație are ca rezultat două accelerații la costul unui generator Van de Graaff și are avantajul suplimentar de a păstra instrumentația complicată a sursei de ioni accesibilă aproape de potențialul solului.

Tensiunea produsă de o mașină Van de Graaff în aer liber este limitată de arcul electric și descărcarea coroanei până la aproximativ 5 megavolți. Majoritatea mașinilor industriale moderne sunt închise într-un rezervor sub presiune din gaz izolant; acestea pot atinge potențiale de aproximativ 25 de megavolți.

Descriere

Generator Van de Graaff
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Van_de_Graaff_Generator.svg

(Diagrama unui generator Van de Graaff. )

Un simplu generator Van de Graaff constă dintr-o bandă de cauciuc (sau un material dielectric flexibil similar) care se deplasează pe două role de material diferit, dintre care una este înconjurată de o sferă de metal goală. Doi electrozi, (2) și (7), sub formă de pieptene cu dinți metalici ascuțiți, sunt poziționate în apropierea părții inferioare a rolei inferioare și în interiorul sferei, deasupra rolei superioare. Pieptenele (2) este conectat la sferă, iar pieptenele (7) este legat la masă. Metoda de încărcare se bazează pe efectul triboelectric, astfel încât contactul simplu al materialelor diferite conduce la transferul unor electroni de la un material la altul. De exemplu, cauciucul benzii va deveni încărcat negativ în timp ce sticla acrilică a rolei superioare va deveni încărcată pozitiv. Cureaua transporta încărcătură negativă pe suprafața sa interioară, în timp ce cilindrul superior acumulează sarcină pozitivă. În continuare, câmpul electric puternic care înconjoară rola superioară pozitivă (3) induce un câmp electric foarte ridicat în apropierea punctelor pieptenelui (2) din apropiere. În aceste puncte, câmpul devine suficient de puternic pentru a ioniza moleculele de aer, iar electronii sunt atrași de exteriorul curelei, în timp ce ionii pozitivi merg la pieptene. La pieptenele (2), ele sunt neutralizate de electroni care se afla pe pieptene, lăsând astfel pieptenele și carcasa exterioară (1) atașată cu mai puțini electroni. Prin principiul ilustrat în experimentul Faraday pentru găleata cu gheață, adică prin legea lui Gauss, încărcarea în exces pozitivă este acumulată pe suprafața exterioară a carcasei exterioare (1), fără a lăsa niciun câmp în interiorul carcasei. Inducția electrostatică prin această metodă continuă, generând cantități foarte mari de sarcini pe suprafață.

În exemplul de mai sus, cilindrul inferior (6) este metal, și preia sarcina negativă de pe suprafața interioară a benzii. Piesa inferioară (7) dezvoltă un câmp electric înalt în punctele sale care, de asemenea, devine suficient de mare pentru a ioniza moleculele de aer. În acest caz, electronii sunt atrasi de pieptene și ionii de aer pozitivi neutralizează sarcina negativă pe suprafața exterioară a benzii sau sunt atașați de bandă. Echilibrul exact al sarcinilor pe partea ascendentă față de partea inferioară a benzii va depinde de combinația materialelor utilizate. În acest exemplu, banda în mișcare ascendentă trebuie să fie mai pozitivă decât banda în mișcare descendentă. Pe măsură ce banda continuă să se miște, un „curent de încărcare” constant se deplasează prin bandă, iar sfera continuă să acumuleze sarcini pozitive până când rata de încărcare (prin scurgeri și descărcările corona) este egală cu curentul de încărcare. Cu cât este mai mare sfera și cu cât este mai departe de sol, cu atât mai mare va fi potențialul ei de vârf. În exemplu, bagheta cu sferă metalică (8) este legată la pământ, la fel ca și pieptenele inferior (7); electronii sunt atrași de la sol către sfera pozitivă, iar când câmpul electric este suficient de mare, aerul se străpunge sub forma unei scântei electrice (9). Deoarece materialul benzii și rolelor poate fi selectat, sarcina acumulată pe sfera metalică goală poate fi fie pozitivă (deficit de electroni), fie negativă (exces de electroni).

Generator Van de Graaff la Muzeul de Științe din Boston, Massachusetts
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Spark_by_Van_de_Graaff_generator.jpg

(Scânteia celui mai mare generator Van de Graaff din lume izolat cu aer, aflat la Muzeul de Științe din Boston, Massachusetts. )

Tipul de frecare al generatorului descris mai sus este mai ușor de construit pentru proiecte științifice sau proiecte de casă, deoarece nu necesită o sursă de înaltă tensiune. Potențiale mai mari pot fi obținute cu modele alternative, pentru care sunt utilizate surse de înaltă tensiune în pozițiile superioare și/sau inferioare ale benzii pentru a transfera mai eficient sarcina pe și de pe bandă.

Un terminal de generator Van de Graaff nu trebuie să aibă formă de sferă pentru a funcționa și, de fapt, forma optimă este o sferă cu o curbă interioară în jurul orificiului în care intră banda. Un terminal rotunjit minimizează câmpul electric în jurul acestuia, permițând obținerea unor potențiale mai mari fără ionizarea aerului sau a altor gaze dielectrice înconjurătoare. În afara sferei, câmpul electric devine foarte puternic și încărcarea directă din exterior ar fi curând împiedicată de câmp. Deoarece conductorii încărcați electric nu au niciun câmp electric în interior, sarcinile pot fi adăugate continuu din interior, fără a le crește până la potențialul maxim al carcasei exterioare. Deoarece un generator Van de Graaff poate furniza același curent mic la aproape orice nivel de potențial electric, acesta este un exemplu de sursă de curent aproape ideală.

Potențialul maxim posibil este aproximativ egal cu raza sferică R înmulțită cu câmpul electric Emax la care descărcările de corona încep să se formeze în interiorul gazului din jur. Pentru aerul la temperatură și presiune standard, câmpul de străpungere este de aproximativ 30 kV/cm. Prin urmare, se poate aștepta ca un electrod sferic lustruit de 30 cm în diametru să aibă o tensiune maximă Vmax = R·Emax de aproximativ 450 kV. Aceasta explică de ce generatoarele Van de Graaff sunt adesea realizate cu cel mai mare diametru posibil.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *