Generátor Van de Graaff

Na počátku třicátých let 20. století Dr. Robert Van de Graaf, který v té době pracoval jako výzkumný pracovník v Massachusetts Institute of Technology a byl zapojen do vědeckého výzkumu v oblasti jaderné fyziky a technologie urychlovače, vyvinul, navrhl a brzy postavil vysokonapěťový elektrostatický urychlovač pracující na principu elektrifikovaného dopravní pás leteckých iontů (1933).

Pozdnější, v 1936, Van de Graaff postavil (všichni na stejném principu) největší světový elektrostatický generátor konstantního napětí - Van de Graaff tandemový generátor, sestávat ze dvou vysokých věží.

Noviny té doby označovaly vynález docenta za revolucionáře, předvídaly ho, aby „vykonával zázraky“ a „objevoval tajemství přírody“. Takový silný rozruch v lisu není vůbec překvapivý, protože největší dvoustupňový generátor van de Graaff se skládal ze dvou velkých sloupů o průměru téměř 2 metry a výšky asi 15 metrů (s kovovými kuličkami o průměru 4,5 metru namontovanými na sloupcích, uvnitř který byl mechanicky napájen elektrickým nábojem) a umožnil získat potenciální rozdíl 7 000 000 voltů.

Navzdory nízké účinnosti zařízení jako celku (asi 23%) měli lidé, kteří v práci viděli skvělé zařízení, nesmazatelný dojem, protože jiskrové výboje byly delší než metr.

Síla generátoru Van de Graaff stačila pro skutečnou výzkumnou práci - urychlit atomová jádra i elementární částice, jako jsou protony a elektrony, na dostatečně vysoké rychlosti. Takže Van de Graaffův generátor používaný v akcelerátorech pomohl vědcům identifikovat složky atomů, které jsou strukturou fyzického vesmíru.

Říká se, že myšlenka principu provozu vysokonapěťového generátoru přišla do Van de Graufa, když byl ještě student, a sledoval jiskry statické elektřiny čas od času běžící na pracovním tiskařském lisu.

Princip činnosti generátoru je následující. Hedvábná nebo gumová páska (dielektrická páska) je natažena a otáčí se jako dopravní pás na páru válečků, z nichž jeden je umístěn na základně sloupu, druhý uvnitř dutiny vodivé koule nahoře. Dolní válec je vyroben z kovu a galvanicky spojen se zemí, je poháněn motorem. Horní válec je dielektrický.

Kovový kartáč připojený ke kladnému terminálu zdroje vysokého napětí, jehož záporný terminál je připojen přímo ke spodnímu válci, je přiveden na pásku pod, pod spodním válcem, s malou mezerou.

Dielektrická páska se tedy pohybuje mezi spodním válečkem a kartáčem (v reálném generátoru měla páska šířku asi 120 cm). Při působení vysokého napětí (asi 20 000 voltů) mezi válečkem a kartáčem se vzduch mezi nimi ionizuje a kladné vzduchové ionty, tažené Coulombovou silou, spěchají k záporně nabitému válečku. Ale protože je v cestě iontů dielektrická páska, ionty se usazují na pásku a nabíjejí ji tímto způsobem.

Páska se pohybuje zdola nahoru, pod ní nepřetržitě přijímá náboj, současně je náboj z jeho povrchu nepřetržitě odebírán poblíž horního válce, protože horní válec uvnitř koule má také vedle sebe kartáč. Kartáč odstraňuje náboj z pásky a je galvanicky spojen s vnitřním povrchem duté vodivé koule, přenáší náboj na něj a čím dál více elektrizuje tento kulovitý kontejner po celém svém vnějším povrchu, v podstatě jej čerpá a do něj čerpá náboj.

Základní možnost akumulace náboje v kapacitě koule generátoru van de Graaff je omezena koronovým výbojem, který nevyhnutelně vzniká v důsledku ionizace vzduchu obklopujícího kouli. Teoretický limit pro kouli o průměru 4,5 metru je přibližně 17 000 000 voltů.

Americký vědec James Staki a dobrovolník Judy Creden prokazují schopnost lidského těla vést elektrický proud. Přednáška v New Yorku, 1966