Генератор Ван де Граафа: пристрій, принцип дії і застосування

Генератор Ван де Граафа був винайдений на початку двадцятого століття. Його використовували для різних цілей, зокрема, для ядерних досліджень. Пізніше застосування звузилась. Сьогодні можна купити його як іграшку і демонструвати дітям, левітацію різних об'єктів. Також генератор можна спорудити самостійно. Тоді він стане відмінною навчальною моделлю, з якої проводять різні досліди.

Дитячі фокуси

Хочете створити «диво»? Візьміть пакет з поліетилену, обріжте обидва кінця і зав'яжіть на ниточці, щоб вийшов бантик. Потім звичайну лінійку з пластику гарненько потріть про вовняну річ і піднесіть її до бантику: почнеться політ
Готову «чарівну паличку» з фігурками, з якими можна робити такі фокуси, можна і купити в магазині. Але найпростіший варіант побачити «диво» - це просто погладити кішку. Тоді можна відчути і побачити виникло статичну електрику. А ось іграшка, повторює конструкцію генератора Ван де Граафа, працює на акумуляторної батареї. Коли натискають на кнопку, на кінчику створюється електростатичний заряд. Тому фігурка переймає його, і однойменні заряди починають відштовхуватися один від одного. Так як фігурка вирізана певним чином, вона «надувається» і отримує обсяг. Якщо заряд слабшає, то потрібно просто ще раз натиснути на «чарівну» кнопку.

Трохи історії

Звичайно, генератор Ван де Граафа — це не тільки дитячі іграшки. Сам фізик створив своє дітище для проведення серйозних досліджень в розділі атомної фізики. Перший демонстраційний зразок був зроблений в 1929 році. Він був невеликого розміру. Більш значні габарити отримав генератор Ван де Граафа, встановлений на рейки для дирижаблів. Модель складалася з двох стовпів, на яких розташували порожнисті сфери з алюмінію діаметром п'ятнадцять футів.


Споруджені в 1931 і 1933 роках установки досягали потужності в сім мільйонів вольт. А адже лише заряд до вісімдесяти кіловольт забезпечував перший генератор Ван де Граафа.

Принцип дії

Всередині обертається вертикально діелектрична стрічка з паперу. Ролик, розташований вгорі, є діелектриком, а нижній виконаний з металу і з'єднаний з землею. Щітковий електрод у сфері знімає і подає заряд, який розподілявся у сфері рівномірно. Поряд з електродом, що знаходяться внизу, повітря іонізується, корисні іони осідають на стрічці, і та її частина, яка спрямовується вгору, заряджається. Щоб виходила висока різниця потенціалів у лінійних прискорювачах частинок (для чого і потрібні були ці генератори), використовувалися дві сфери з різними зарядами. В одній з них накопичувалися позитивні, і в інший — негативні. Коли концентрація досягала певного рівня, між ними проскакував електророзряд. Саме він і досліджувався. Напруга тут доходило до мільйонів вольт. Раніше пристрої застосовувалися для ядерних досліджень і прискорення частинок. Після того як з'явилися інші способи прискорення, їх стали використовувати в цій сфері набагато рідше. В даний час генератор Ван де Граафа більшою мірою служить для моделювання. Наприклад, з його допомогою імітують природні розряди газу. Замість стрічок в установках часто використовують ланцюги, що складаються з пластикових та залізних ланок по черзі.

Що потрібно для самостійної збірки приладу

Модель нескладно спорудити самостійно з підручних засобів. Генератор Ван де Граафа, своїми руками зібраний, складається з наступних складових:

олівця;

обрізка труби ПВХ;

гумки;

скріпки;

фольги з алюмінію;

двигуна від іграшки;

непрацюючої лампочки;

сухих паст від ручки;

батарейки на дев'ять вольт;

скотчу;

дроти;

дощечки.

Всі елементи повинні бути сухими, так само, як і повітря в приміщенні. В іншому випадку працювати конструкція просто не буде або буде, але дуже слабо. Ось який вийде генератор Ван де Граафа. Фото нижче показує, як повинна виглядати модель.

Як генератор робиться самостійно

Спочатку свердлять отвір на дощечці, яка стане основою конструкції. Свердло підбирають відповідного діаметру, форма - у вигляді пера. Потім на трубці роблять два отвори: зверху і знизу, для паст. Роблять ще два отвори: одне трохи вище верхнього, а друге — перпендикулярно нижньому. Далі пасти потрібно повністю очистити від чорнила. Вирізують шматок, відповідає внутрішньому діаметру труби. Беруть скріпку, випрямляють і відрізають шматок достатньої довжини, щоб він на сантиметр виступав з трубки. Зі скотчу виготовляють діелектричну стрічку. Гумку обклеюють так, щоб обидві сторони теж були липкими. Підготовлені елементи збирають. Додають щітки, що збирають заряд. Внизу кисть проходить через отвір, а кінчик роблять распушенным. Пензлі повинні знаходитися близько до резинці, але не торкатися її. Верхню протягують через отвір нагорі. Після цього за допомогою фольги з алюмінію обклеюють непрацюючу вже лампочку. До фользі кріпиться верхній дріт. Лампу вставляють зверху конструкції. Генератор Ван де Граафа навчальний готовий.

Досліди

Якщо до верхнього електроду прикріпити кілька ниток і наблизити руки, то вони «встане дибки» і обів'ють пальці. Спробуйте провести досліди в темряві. Щоб отримати більш потужна напруга, з'єднують два генератора. Хорошим варіантом для дослідів стане лейденська банку. Найвідомішим досвідом є той, при якому волосся стає дибки. Для цього потрібно встати на гумовий килимок, дерев'яну дошку або фанеру. Руку ставлять на сферу (при цьому генератор повинен бути вимкнений, щоб не вдарило струмом). Після включення приладу пройде іскра, в результаті чого волосся встане дибки. Генератор розряджати після кожного застосування і працювати з ним дуже обережно, так як струм може стати смертельно небезпечним для людини.