De Van de Graaff generator Det är en artefakt som fungerar tack vare elektrostatiska fenomen, och vars funktion är att reproducera enorma elektriska potentialer, i storleksordningen megaelektronvolts (MeV), för att påskynda subatomära partiklar. Sådana potentialer är koncentrerade i dess övre delar, där karakteristiska ihåliga metalliska sfärer vilar..
Det uppfanns 1929 av den amerikanska fysikern Robert J. Van de Graaff och byggde modeller av olika storlekar och elektriska kapaciteter. En av de största, skapad 1933 och sett på bilden nedan, kan nå en elektrisk potential på 5MeV; fem gånger mindre än vad som för närvarande kan uppnås (25,5MeV).
Van de Graaff-generatorns potential är så hög att elektriska urladdningar sker i luften som omger dess metalliska sfärer. Dessa urladdningar är resultatet av obalansen mellan de elektriska laddningarna, eftersom sfärerna får mycket negativa eller mycket positiva elektriska laddningar; allt beroende på material och design.
Denna enhet är ganska populär inom undervisning i fysik och el. Detta beror på att volontärerna, när de rör vid kulorna eller metallkupolerna hos de små generatorerna, upplever en ofrivillig lyftning av håret, vilket påminner om en elektrocution..
Artikelindex
I bilden ovan har vi de konventionella delarna för en Van de Graaff-generator. Den har en vertikal ram toppad av en ihålig sfär eller metallkupol (1). Inuti har vi ett band eller bälte (4 och 5) tillverkat av polymert och isolerande material, såsom kirurgiskt rör.
Detta bälte rör sig ständigt mellan två rullar: en övre (3) och en nedre (6). På samma sätt har varje vals fäst en metallborste (2 och 7) som gnuggar ytan på remmen. Remrörelser aktiveras av en elmotor ansluten till generatorns bas.
Som framgår av bilden är generatorns sfär positivt laddad (+). Därför behöver den elektroner för att ge den elektriska obalansen. Det är här elektronerna (-) som lämnar generatorn hamnar negativt på en närliggande metallanordning (8); att äntligen producera en elektrisk urladdning (9) i riktning mot metallkupolen.
Den elektriska stöten kan inträffa antingen i riktning mot kupolen eller i enhetens riktning; det senare inträffar när det är kupolen som är negativt laddad.
Van de Graaff-generatorn kan laddas positivt eller negativt. Laddningssymbolen beror på den triboelektriska karaktären hos materialen från vilka remmen och det nedre rullskyddet är tillverkade..
Till exempel, om den nedre rullen är täckt med nylon, men bältet är tillverkat av gummi, bör triboelektriska serierna kontrolleras för att veta vilket material den kommer att få och vilken som kommer att donera elektronerna när de är i kontakt..
Eftersom nylon är mer positivt, det vill säga eftersom det är högre i triboelektrisk serie än gummi, kommer det att förlora elektroner medan gummi kommer att få dem. Därför kommer remmen att sluta förskjutas eller mobilisera negativa laddningar när generatorns motor startas..
Under tiden, om den nedre rullen är täckt med silikon, kommer det motsatta att hända: bältet kommer att förlora elektroner, eftersom silikon är mer negativt än gummi i den triboelektriska serien. Och följaktligen kommer bältet att förskjuta eller mobilisera positiva laddningar (som i bilden som redan beskrivits).
Triboelektricitet är bara ett av många elektriska fenomen (korona- och fotoelektriska effekter, Faradays isbit, elektriska fält etc.) som äger rum i Van de Graaff-generatorn. Men huvudpoängen är att den kan flytta, mobilisera eller "pumpa" elektriska laddningar mot metallkupolen..
När den nedre valsen är negativt laddad efter att motorn har aktiverats och bältet positivt börjar elektronerna från valsen att avvisa dem på bältets yttre yta. Dessa elektroner migrerar genom luften mot den nedre borsten, där de kommer att ledas mot jorden eller en annan enhet..
Det positivt laddade bandet når den övre valsen, som har en triboelektrisk natur motsatt den nedre valsen; det vill säga istället för att vara negativt laddat måste det förlora elektroner och därför också bli positivt laddat. Således rör sig den positiva laddningen mot den övre valsen och slutligen mot den övre borsten i direkt kontakt med metallkupolen.
Elektroner från den övre borsten transporteras till valsen för att neutralisera laddningar. Men dessa elektroner kommer från ytan av metallkupolen. Därför får kupolen också en positiv laddning.
Kupolen, enligt dess dimensioner, kommer att nå en maximal potential. Därefter måste de elektriska laddningarna balanseras. Eftersom den är mycket positiv kommer den att ta emot elektroner från en mycket negativt laddad källa - enheten som tar emot elektronerna från den nedre borsten. Således alstras en elektrisk urladdning (gnista) från enheten (negativ) mot metallkupolen (positiv).
Ju högre elektriska potentialer som nås, proportionellt mot generatorns dimensioner, desto intensivare kommer de återgivna elektriska urladdningarna att bli. Observera att om de inte var så stora kunde elektroner inte färdas genom luft, ett icke-ledande dielektriskt medium.
Om den metalliska sfären är positivt laddad och någon rör vid den, kommer deras hår också att bli positivt laddade. Lika laddningar stöter bort varandra, och därför kommer håret att stå på slutet och skilja sig från varandra. Detta fenomen används för utbildningsändamål i kurser där elektrostatik introduceras.
Således används små Van de Graaff-generatorer för att fånga observatörernas uppmärksamhet beträffande hårets ställning; eller i kontemplationen av elektriska stötar, trogna repliker av dem vi ser i science fiction-filmer.
När kupolen koncentrerar många elektriska laddningar genereras en potential som kan accelerera subatomära partiklar. För detta ändamål används Van de Graaff-generatorn för att reproducera röntgen i medicinska studier och kärnfysik..
Ingen har kommenterat den här artikeln än.