Generator Van de Graaff Este un artefact care funcționează datorită fenomenelor electrostatice și a cărui funcție este de a reproduce potențiale electrice enorme, în ordinea megaelectronvolților (MeV), pentru a accelera particulele subatomice. Astfel de potențiale sunt concentrate în părțile sale superioare, unde se sprijină sferele metalice goale caracteristice..
A fost inventat în 1929 de fizicianul american Robert J. Van de Graaff, construind modele de diferite dimensiuni și capacități electrice. Una dintre cele mai mari, creată în 1933 și văzută în imaginea de mai jos, este capabilă să atingă un potențial electric de 5MeV; de cinci ori mai puțin decât ceea ce se poate realiza în prezent (25,5MeV).
Potențialul generatorului Van de Graaff este atât de mare încât descărcările electrice apar în aerul care înconjoară sferele sale metalice. Aceste descărcări sunt produsul dezechilibrului sarcinilor electrice, deoarece sferele dobândesc sarcini electrice foarte negative sau foarte pozitive; totul în funcție de materiale și de proiectările dvs..
Acest dispozitiv este destul de popular în predarea fizicii și a electricității. Acest lucru se datorează faptului că voluntarii, atunci când ating sferele sau cupolele metalice ale generatoarelor mici, experimentează o ridicare involuntară a părului lor, care amintește de o electrocutare..
Indice articol
În imaginea de mai sus avem piesele convenționale pentru un generator Van de Graaff. Are un cadru vertical acoperit de o sferă goală sau o cupolă metalică (1). În interior, avem o bandă sau o curea (4 și 5) din material polimeric și izolator, cum ar fi tubul chirurgical.
Această centură se mișcă constant între două role: una superioară (3) și una inferioară (6). La fel, fiecare rolă are atașată o perie metalică (2 și 7) care freacă suprafața centurii. Mișcarea curelei este activată de un motor electric conectat la baza generatorului.
După cum se poate vedea în imagine, sfera generatorului este încărcată pozitiv (+). Prin urmare, are nevoie de electroni pentru a furniza dezechilibrul electric. Aici electronii (-) care părăsesc generatorul ajung să încarce negativ un dispozitiv metalic din apropiere (8); pentru a produce în cele din urmă o descărcare electrică (9) în direcția cupolei metalice.
Șocul electric se poate produce fie în direcția cupolei, fie în direcția dispozitivului; aceasta din urmă apare atunci când este cupola încărcată negativ.
Generatorul Van de Graaff poate fi încărcat pozitiv sau negativ. Simbolul încărcării va depinde de natura triboelectrică a materialelor din care sunt fabricate centura și capacul inferior al rolei..
De exemplu, dacă rola inferioară este acoperită cu nailon, dar centura este din cauciuc, atunci seria triboelectrică ar trebui verificată pentru a ști ce material va primi și care va dona electronii odată ce vor fi în contact..
Astfel, deoarece nylonul este mai pozitiv, adică pentru că este mai mare în seria triboelectrică decât cauciucul, va pierde electroni în timp ce cauciucul îi va câștiga. Prin urmare, centura va sfârși prin a deplasa sau a mobiliza sarcini negative atunci când motorul generatorului este pornit..
Între timp, dacă rola inferioară este acoperită cu silicon, se va întâmpla opusul: cureaua va pierde electroni, deoarece siliconul este mai negativ decât cauciucul din seria triboelectrică. Și, în consecință, centura va deplasa sau mobiliza sarcini pozitive (ca în imaginea deja descrisă).
Triboelectricitatea este doar unul dintre multele fenomene electrice (corona și efecte fotoelectrice, cubul de gheață al lui Faraday, câmpuri electrice etc.) care au loc în generatorul Van de Graaff. Dar principalul punct este că poate deplasa, mobiliza sau „pompa” sarcinile electrice către cupola metalică..
Odată ce rola inferioară este încărcată negativ după ce motorul este activat și cureaua pozitivă, electronii din rolă încep să respingă cei de pe fața exterioară a curelei. Acești electroni migrează, prin aer, spre peria inferioară, unde vor fi direcționați spre pământ sau către un alt dispozitiv..
Centura încărcată pozitiv ajunge la rola superioară, care are o natură triboelectrică opusă rola inferioară; adică, în loc să fie încărcat negativ, trebuie să piardă electroni și, prin urmare, să devină și încărcat pozitiv. Astfel, sarcina pozitivă se deplasează spre rola superioară și, în cele din urmă, spre peria superioară în contact direct cu cupola metalică.
Electronii din peria superioară sunt transportați la rolă pentru a neutraliza încărcăturile. Dar acești electroni provin de la suprafața cupolei metalice. Prin urmare, cupola dobândește și o încărcare pozitivă.
Domul, în funcție de dimensiunile sale, va atinge un potențial maxim. După aceea, încărcăturile electrice trebuie să fie echilibrate. Fiind foarte pozitiv, va primi electroni dintr-o sursă foarte încărcată negativ - dispozitivul care primește electronii din peria inferioară. Astfel, se produce o descărcare electrică (scânteie) din dispozitiv (negativă) către cupola metalică (pozitivă).
Cu cât potențialul electric este mai mare, proporțional cu dimensiunile generatorului, cu atât descărcările electrice reproduse vor fi mai intense. Rețineți că, dacă nu ar fi atât de mari, electronii nu ar putea călători prin aer, un mediu dielectric neconductiv.
Dacă sfera metalică este încărcată pozitiv și cineva o atinge, părul lor va ajunge, de asemenea, să fie încărcat pozitiv. Sarcini egale se resping reciproc și, prin urmare, părul va sta pe cap și se va separa unul de celălalt. Acest fenomen este utilizat în scopuri educaționale în cursurile în care este introdusă electrostatica.
Astfel, generatoarele Van de Graaff de dimensiuni mici sunt folosite pentru a capta atenția observatorilor cu privire la starea părului; sau în contemplarea șocurilor electrice, replici fidele ale celor pe care le vedem în filmele de science fiction.
Când cupola concentrează multe sarcini electrice, se generează un potențial care este capabil să accelereze particulele subatomice. În acest scop, generatorul Van de Graaff este utilizat pentru a reproduce razele X în studiile medicinale și fizica nucleară..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.