Generator Van de Graafa v 5-100

Pracownia Dydaktyki Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Szczeciski www.dydaktyka.fizyka.szc.pl

- 1 -

GENERATOR VAN DE GRAAFFA

(V 5 100)

Rys. 1.

Generator elektrostatyczny Van de Graaffa (podobnie jak cyklotron, generator kaskadowy Cockcrofta) suy w technice do wytwarzania niezwykle wysokich napi rzdu kilku MV. Napicia te potrzebne s do nadawania duych prdkoci pociskom nukleonowym rozbijajcym jdra atomowe. Urzdzenie stanowi gigantyczn maszyn elektrostatyczn. Budowa generatora przedstawia si nastpujc: wewntrz pustej kolumny, wykonanej z materiau izolacyjnego, biegnie pas jedwabny midzy dwoma waami, z ktrych jeden znajduje si u dou kolumny, a drugi u gry wewntrz olbrzymiej metalowej kuli. W dolnej czci kolumny jest umieszczone rdo wysokiego napicia rzdu 104 V (np. transformator i prostownik). Z nieuziemionego bieguna tego rda prdu wypywaj adunki np. ujemne i osadzaj si na pasie, ktry przenosi je ku grze do kuli. Tam gromadz si na licznych kolcach, ktre s poczone z kul. Kula zatem aduje si adunkiem jednego znaku, a pas pozbawiony adunkw biegnie dalej ku doowi po nowe adunki. Czsto stosuje si osadzon na ssiedniej kolumnie drug kul, na ktrej zbieraj si adunki o znaku przeciwnym. Midzy kulami powstaje napicie rzdu kilku milionw woltw. Przyrzd pod nazw generator Van de Graaffa jest uproszczonym modelem dziaajcym opisanego wyej urzdzenia. Na metalowej, prostopadociennej podstawie (1) s umocowane za pomoc wspornikw (2) pleksiglasowe supki (3). Midzy supkami na dwch stalowych rolkach (4)


- 2 -

jest nacignita gumowa tama (5) z regulacj nacigu przy pomocy 2 nakrtek umieszczonych we wspornikach. Osie rolek (w celu zmniejszenia tarcia) obracaj si w oyskach, ktrych oprawy s umocowane we wspornikach za porednictwem nakrtek zaciskowych (6). W dolnej czci przyrzdu jest przymocowany do wspornikw grzebie dolny (7) w ksztacie paska z blachy aluminiowej o zbkowanej krawdzi, za w grnej czci pasa znajduje si grzebie grny do zbierania adunkw elektrycznych. W podstawie przyrzdu jest zmontowany silnik elektryczny 32 W, 220 V. Przyrzd ma kopu (8) z sita tkanego, ktr mona ustawi na supkach przy pomocy wspornikw. W skad wyposaenia przyrzdu wchodzi konduktor stokowy (9) na prcie z otworem do wkadania wtyczki przewodu uziemiajcego. Zasada dziaania przyrzdu

Przyrzd dziaa na zasadzie podobnej jak maszyna elektrostatyczna Whimshursta (rys.2).

Rys. 2. adunek ujemny powstajcy skutkiem tarcia lewej czci pasa o doln rolk jest przenoszony w czasie ruchu obrotowego pasa do grzebienia grnego G1, skd przechodzi na powierzchni kuli przyrzdu. Grzebie dolny G2 suy do odprowadzania adunkw z prawej czci pasa.

Potencja uzyskany na powierzchni kuli przyrzdu Zgodnie ze wzorem (1) potencja uzyskany na kuli przyrzdu zaley od wielkoci naboju wprowadzonego na powierzchni kuli oraz pojemnoci kuli.

CQV = (1)

gdzie: Q adunek V potencja C pojemno


- 3 -

Potencja jest wprost proporcjonalny do adunku elektrycznego, a odwrotnie proporcjonalny do pojemnoci przewodnika. W naszym przyrzdzie uzyskamy duy potencja wprowadzajc na powierzchni kopuy moliwie duy adunek. Naley w tym celu adowa przyrzd ponad minut. Wielko otrzymanego na kuli potencjau mona okreli w przyblieniu po dugoci iskry, jak otrzymamy przy rozbrajaniu kuli (midzy kulami o niewielkiej rednicy przy rednim stopniu jonizacji powietrza na kady milimetr dugoci iskry przypada rnica potencjaw odpowiadajca napiciu U 3000 V). Pole elektryczne wok kopuy przyrzdu

Ilo elektrycznoci przypadajca na 1 cm2 powierzchni przewodnika nazywamy gstoci powierzchniow. Na przewodnikach kulistych gsto powierzchniowa jest rozoona rwnomiernie. Gsto powierzchniow oznaczamy liter

SQ

= (2)

gdzie: Q adunek S powierzchnia adowana. Std atwo jest wyprowadzi wniosek, e powikszajc adunek na pkuli, powikszamy gsto powierzchniow. Przestrze otaczajc przewodnik naelektryzowany, w ktrej dziaaj siy elektryczne, nazywamy polem elektrycznym. Natenie pola (E), tj. sia, z jak pole oddziaywa na adunek prbny umieszczony w polu, zaley od gstoci powierzchniowej i jest najwiksza przy powierzchni czaszy

pi4=E (3) gdzie: E natenie pola

gsto powierzchniowa Natenia pola maleje ze wzrostem odlegoci od powierzchni czaszy (jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odlegoci).

Linie si natenia pola elektrostatycznego wytworzonego wok kopuy przyrzdu przebiegaj w sposb przedstawiony na rys. 3.

atwo wyprowadzi wnioski, e elektryzowanie cia przez indukcj naley wykonywa moliwie blisko kopuy (w takiej jednak odlegoci, by nie przeskakiwaa iskra).

Bezporednie elektryzowanie cia powinno by wykonane przez zetknicie ciaa elektryzowanego z kopu przyrzdu.

Rys.3.


- 4 -

Moc generatora

Moc generatora mona okreli w przyblieniu w nastpujcy prosty sposb. Poniewa natenie prdu otrzymanego z generatora wynosi okoo 2 A, w celu obliczenia mocy mnoymy natenie przez napicie uzyskane na kuli przyrzdu. Np. dla iskry o dugoci okoo 5 cm napicie wynosi okoo 150 kV, a moc modelu generatora:

M = u i = 150 000 V 0,000002 A = 0,3 W Jest to oczywicie moc znikomo maa w porwnaniu z moc wytwarzan przez generatory stosowane w technice (np. zbudowany przez Van de Graaffa generator w Round Hill wytwarza napicie 5,1 MV, natenie uzyskanego prdu wynosio 1,1 mA, a moc 5,6 kW).

Przykady dowiadcze, jakie mona wykona za pomoc modelu generatora Van de Graaffa

Przed dowiadczeniem naley przyrzd dokadnie wytrze z kurzu. Dziaanie generatora jest zalene od stopnia wilgotnoci powierza, a take od tego, w jakim stanie znajduje si pas przyrzdu. Nie moe on by zabrudzony lub wilgotny. Jeeli jest brudny, trzeba go umy wod z mydem i dobrze osuszy, np. suszark, a nastpnie przesypa suchym talkiem. Pas nie moe by zbyt mocno nacignity, bo przyrzd daje wtedy krtk iskr, a gdy jest za luny, zawadza o grzebienie. Przykady dowiadcze:

a) Rozmieszczenie adunkw na powierzchni przewodnika: czymy jeden z grzebieni (np. grzebie grny generatora) z siatk Faradaya (Katalog Pomocy Nauk. str. 98) z ponaklejanymi wewntrz i z zewntrz paskami bibuy. Siatk ustawiamy na pycie izolacyjnej. Podczas pracy generatora zewntrzne paski odchylaj si od siatki, a wewntrzne nie odchylaj si. Stwierdzamy, e adunki zbieraj si na powierzchni zewntrznej przewodnika.

b) Linie si pola elektrycznego Koce rozbrajacza (Kat. Pom. Nauk. str. 98) czymy nitk z prawdziwego jedwabiu i na rodku jej zawieszamy poziomo rwnie na nitce jedwabnej drucik zakoczony na obu kocach kuleczkami z rdzenia bzowego, tworzc tzw. igiek elektryczn. Zbliamy t igiek do kopuy przyrzdu. Pooenie igieki wskae kierunek linii si pola.

c) Dziaanie ostrzy Do jednego grzebienia generatora przyczamy mynek Franklina (Kat. Pom. Nauk. str. 97). Obraca si on bdzie w stron przeciwn wzgldem kierunku wypywajcych z jego ostrzy adunkw. Dowiadczenie mona rwnie przeprowadzi w nieco odmienny sposb. Przyczamy do generatora konduktor kulisy z ostrzem, umocowany na szklanym statywie (Kat. Pom. Nauk. str. 97). Zbliamy rk do ostrza. Rka aduje si, co mona stwierdzi elektroskopem (obserwator trzymajcy elektroskop powinien sta na podstawie izolacyjnej).

d) Dziaanie cieplne iskry Na drodze iskry midzy uziemionym konduktorem kulistym, a kul generatora umieszczamy wat osadzon na drewienku i zwilon benzyn. Iskra zapala wat.


- 5 -

e) Efekty wietlne wyadowa Generator umieszczamy w zaciemnionym pomieszczeniu. Do powierzchni kuli generatora zbliamy konduktor na podstawie. Obserwujemy wyadowania elektryczne, ktre maj posta wiotkich mioteek fiokowego wiata.

f) Dowiadczenie z neonwk Bardzo ciekawe s dowiadczenia, jakie moemy wykona za pomoc neonwki. Neonwk (uziemion) zbliamy do powierzchni kuli generatora. W miar zbliania wieci coraz intensywniej.

BIOFIZ ZJEDNOCZENIE PRZEMYSU POMOCY NAUKOWYCH I ZAOPATRZENIA SZK WARSZAWA Generator Van de Graaffa wraz z instrukcj zosta zatwierdzony przez Ministerstwo Owiaty pismem nr PO4-1683/57 z dnia 23.07.1957 roku do uytku szkolnego. Nr katalogowy: V 5-100 Produkowano: Fabryka Pomocy Naukowych w Poznaniu

rdo: ze zbiorw Pracowni Dydaktyki Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Szczeciskiego

Documents

Generator Van de Graafa v 5-100