De Van de Graaff generator Het is een artefact dat werkt dankzij elektrostatische verschijnselen, en waarvan de functie is om enorme elektrische potentialen te reproduceren, in de orde van mega-elektronvolt (MeV), om subatomaire deeltjes te versnellen. Dergelijke potentialen zijn geconcentreerd in de bovenste delen, waar karakteristieke holle metalen bollen rusten..
Het werd in 1929 uitgevonden door de Amerikaanse natuurkundige Robert J. Van de Graaff en bouwde modellen van verschillende afmetingen en elektrische capaciteiten. Een van de grootste, gemaakt in 1933 en te zien in de onderstaande afbeelding, kan een elektrisch potentieel van 5MeV bereiken; vijf keer minder dan wat momenteel haalbaar is (25,5MeV).
Het potentieel van de Van de Graaff-generator is zo hoog dat elektrische ontladingen optreden in de lucht rond de metalen bollen. Deze ontladingen zijn het product van de onbalans van de elektrische ladingen, aangezien de bollen zeer negatieve of zeer positieve elektrische ladingen krijgen; allemaal afhankelijk van de materialen en uw ontwerpen.
Dit apparaat is behoorlijk populair bij het onderwijzen van natuurkunde en elektriciteit. Dit komt doordat de vrijwilligers bij het aanraken van de bollen of de metalen koepels van de kleine generatoren een onvrijwillige opheffing van hun haar ervaren, wat doet denken aan een elektrocutie..
Artikel index
In bovenstaande afbeelding hebben we de conventionele onderdelen voor een Van de Graaff generator. Het heeft een verticaal frame met daarboven een holle bol of metalen koepel (1). Binnenin hebben we een band of riem (4 en 5) gemaakt van polymeer en isolerend materiaal, zoals de chirurgische buis.
Deze band beweegt constant tussen twee rollen: een bovenste (3) en een onderste (6). Evenzo is aan elke rol een metalen borstel (2 en 7) bevestigd die over het oppervlak van de band wrijft. De riembeweging wordt geactiveerd door een elektromotor die is aangesloten op de basis van de generator.
Zoals op de afbeelding te zien is, is de bol van de generator positief geladen (+). Daarom heeft het elektronen nodig om de elektrische onbalans te leveren. Het is hier waar de elektronen (-) die de generator verlaten, een nabijgelegen metalen apparaat (8) negatief opladen; om uiteindelijk een elektrische ontlading (9) te produceren in de richting van de metalen koepel.
De elektrische schok kan plaatsvinden in de richting van de koepel of in de richting van het apparaat; dit laatste treedt op als de koepel negatief geladen is.
De Van de Graaff generator kan positief of negatief geladen worden. Het symbool van de lading hangt af van de tribo-elektrische aard van de materialen waarvan de riem en de onderste rolafdekking zijn gemaakt..
Als de onderste rol bijvoorbeeld is bedekt met nylon, maar de riem is gemaakt van rubber, dan moet de tribo-elektrische serie worden gecontroleerd om te weten welk materiaal het zal ontvangen en welk materiaal de elektronen zal doneren zodra ze in contact zijn..
Omdat nylon dus positiever is, dat wil zeggen omdat het hoger is in de tribo-elektrische reeks dan rubber, zal het elektronen verliezen terwijl rubber ze wint. Daarom zal de riem negatieve ladingen verplaatsen of mobiliseren wanneer de generatormotor wordt gestart..
Ondertussen, als de onderste rol bedekt is met siliconen, gebeurt het tegenovergestelde: de riem verliest elektronen, aangezien siliconen negatiever is dan rubber in de tribo-elektrische reeks. En bijgevolg zal de riem positieve ladingen verplaatsen of mobiliseren (zoals in de reeds beschreven afbeelding).
Tribo-elektriciteit is slechts een van de vele elektrische verschijnselen (corona en foto-elektrische effecten, het ijsblokje van Faraday, elektrische velden, enz.) Die plaatsvinden in de Van de Graaff-generator. Maar het belangrijkste is dat het elektrische ladingen naar de metalen koepel kan verplaatsen, mobiliseren of "pompen"..
Zodra de onderste rol negatief is geladen nadat de motor is geactiveerd, en de riem positief, beginnen de elektronen van de rol die aan de buitenkant van de riem af te stoten. Deze elektronen migreren door de lucht naar de onderste borstel, waar ze naar de aarde of een ander apparaat worden geleid..
De positief geladen band bereikt de bovenste rol, die een tribo-elektrische aard heeft tegenover de onderste rol; dat wil zeggen, in plaats van negatief geladen te zijn, moet het elektronen verliezen en daarom ook positief geladen worden. De positieve lading beweegt dus naar de bovenste rol en tenslotte naar de bovenste borstel in direct contact met de metalen koepel.
Elektronen van de bovenste borstel worden naar de rol getransporteerd om ladingen te neutraliseren. Maar deze elektronen komen van het oppervlak van de metalen koepel. Daarom krijgt de koepel ook een positieve lading.
De koepel zal, afhankelijk van zijn afmetingen, een maximaal potentieel bereiken. Daarna moeten de elektrische ladingen worden gebalanceerd. Omdat het erg positief is, ontvangt het elektronen van een zeer negatief geladen bron - het apparaat dat de elektronen van de onderste borstel ontvangt. Er wordt dus een elektrische ontlading (vonk) geproduceerd van het apparaat (negatief) naar de metalen koepel (positief).
Hoe hoger de bereikte elektrische potentialen, evenredig met de afmetingen van de generator, hoe intenser de gereproduceerde elektrische ontladingen zullen zijn. Merk op dat als ze niet zo groot waren, elektronen niet door lucht zouden kunnen reizen, een niet-geleidend diëlektrisch medium.
Als de metalen bol positief geladen is en iemand het aanraakt, zal hun haar uiteindelijk ook positief geladen worden. Gelijke ladingen stoten elkaar af, en daarom zal het haar rechtop en gescheiden van elkaar staan. Dit fenomeen wordt gebruikt voor educatieve doeleinden in cursussen waar elektrostatica wordt geïntroduceerd.
Zo worden kleine Van de Graaff-generatoren gebruikt om de aandacht van waarnemers te trekken met betrekking tot de stand van hun haar; of bij het nadenken over elektrische schokken, getrouwe replica's van degenen die we in sciencefictionfilms zien.
Wanneer de koepel veel elektrische ladingen concentreert, wordt een potentiaal gegenereerd dat in staat is om subatomaire deeltjes te versnellen. Hiervoor wordt de Van de Graaff-generator gebruikt om röntgenfoto's te reproduceren in medicinale studies en kernfysica..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.