Генератор Ван де Граафа своими руками. Описание и принцип работы

На уроках физики, чтобы показать действие, совершаемое статическим электричеством, демонстрируют генератор Ван де Граафа. Необычное устройство, пуская в разные стороны миниатюрные молнии, приводит в восторг учеников. Но мало кто знает, что генератор также использовался для опытов в сфере ядерной физики.

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.

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.

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.

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.

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.