Generator Van de Graaff

Na początku lat 30. XX wieku dr Robert Van de Graaf, który w tym czasie pracował jako pracownik naukowy w Massachusetts Institute of Technology i był zaangażowany w badania naukowe w dziedzinie fizyki jądrowej i technologii akceleratora, opracował, zaprojektował i wkrótce zbudował akcelerator elektrostatyczny wysokiego napięcia działający na zasadzie zelektryfikowanego przenośnik jonów powietrznych (1933).

Później, w 1936 roku, Van de Graaff zbudował (wszystkie na tej samej zasadzie) największy na świecie generator elektrostatycznego stałego napięcia - tandemowy generator Van de Graaffa, składający się z dwóch wysokich wież.

Gazety tamtych czasów nazywały wynalazek profesora nadzwyczajnego niczym rewolucyjnym, przewidywały, że „będzie czynił cuda” i „odkryje tajemnice natury”. Tak silne mieszanie w prasie wcale nie jest zaskakujące, ponieważ największy dwustopniowy generator van de Graaffa składał się z dwóch ogromnych kolumn o średnicy prawie 2 metry każda i wysokości około 15 metrów (z metalowymi kulkami o średnicy 4,5 metra zamontowanymi na szczycie kolumn, wewnątrz który był mechanicznie zasilany ładunkiem elektrycznym) i umożliwił uzyskanie różnicy potencjałów w wysokości 7 000 000 woltów.

Pomimo niskiej wydajności urządzenia jako całości (około 23%) ludzie, którzy widzieli wspaniałe urządzenie w pracy, mieli niezatarte wrażenie, ponieważ wyładowania iskrowe miały ponad metr długości.

Moc generatora Van de Graaffa była wystarczająca do prawdziwych prac badawczych - do przyspieszenia jąder atomowych, a także cząstek elementarnych, takich jak protony i elektrony, do wystarczająco wysokich prędkości. Tak więc generator Van de Graaffa zastosowany w akceleratorach pomógł naukowcom zidentyfikować składniki atomów, które są strukturą fizycznego wszechświata.

Mówią, że idea zasady działania generatora wysokiego napięcia przyszła do Van de Graufa, gdy był jeszcze studentem i od czasu do czasu obserwował iskry elektryczności statycznej działającej na działającej maszynie drukarskiej.

Zasada działania generatora jest następująca. Jedwabna lub gumowa taśma (taśma dielektryczna) jest rozciągana i obraca się jak taśma przenośnika na parze rolek, z których jedna znajduje się u podstawy kolumny, druga wewnątrz wnęki sfery przewodzącej u góry. Dolny walec jest wykonany z metalu i galwanicznie połączony z ziemią, napędzany jest silnikiem. Górny wałek jest dielektryczny.

Metalowa szczotka podłączona do dodatniej końcówki źródła wysokiego napięcia, której ujemna końcówka jest podłączona bezpośrednio do dolnego walca, jest doprowadzana do taśmy poniżej, poniżej dolnego walca, z niewielką szczeliną.

Tak więc między dolnym wałkiem a szczotką porusza się taśma dielektryczna (w prawdziwym generatorze taśma miała szerokość około 120 cm). Pod działaniem wysokiego napięcia (około 20 000 woltów) między wałkiem a szczotką powietrze między nimi jest zjonizowane, a dodatnie jony powietrza, przyciągane przez siłę kulombowską, pędzą do ujemnie naładowanego wałka. Ale ponieważ na ścieżce jonów znajduje się taśma dielektryczna, jony osiadają na taśmie, ładując ją w ten sposób.

Taśma przesuwa się od dołu do góry, pod nią w sposób ciągły odbiera ładunek, jednocześnie ładunek z jego powierzchni jest stale pobierany w pobliżu górnego walca, ponieważ górny walec wewnątrz kuli ma również szczotkę umieszczoną obok niego. Szczotka usuwa ładunek z taśmy i będąc galwanicznie połączona z wewnętrzną powierzchnią wydrążonej kuli przewodzącej, przenosi ładunek na nią, coraz bardziej elektryzując ten kulisty pojemnik na całej swojej zewnętrznej powierzchni, zasadniczo pompując go, pompując do niego ładunek.

Podstawowa możliwość akumulacji ładunku w pojemności kuli generatora van de Graaffa jest ograniczona przez wyładowanie koronowe, które nieuchronnie powstaje w wyniku jonizacji powietrza otaczającego kulę. Teoretyczna granica dla kuli o średnicy 4,5 metra wynosi około 17 000 000 woltów.

Amerykański naukowiec James Staki i wolontariuszka Judy Creden demonstrują zdolność ludzkiego ciała do przewodzenia prądu elektrycznego. Wykład w Nowym Jorku, 1966 r