Ван де граафа генератор. Генератор Ван де Граафа: принцип работы, устройство и применение

alexxlabРазное
Как устроен генератор Ван де Граафа. Какой принцип лежит в основе его работы. Где применяется генератор Ван де Граафа в науке и технике. Какие особенности имеет данный электростатический генератор.

Содержание

Принцип работы генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — это электростатический генератор высокого напряжения, изобретенный американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году. Принцип его работы основан на механическом переносе электрического заряда с помощью движущейся диэлектрической ленты.

Основные элементы генератора включают:

  • Диэлектрическую ленту, натянутую между двумя роликами
  • Нижний заземленный ролик
  • Верхний изолированный ролик
  • Металлический полый шар на вершине
  • Щетки для снятия и передачи заряда

Как происходит генерация высокого напряжения в устройстве Ван де Граафа?

  1. Лента приводится в движение мотором
  2. Нижняя щетка создает отрицательный заряд на ленте
  3. Заряженная лента движется вверх
  4. Верхняя щетка снимает заряд с ленты
  5. Заряд перетекает на металлический шар
  6. На шаре накапливается высокий потенциал

Таким образом, за счет постоянного механического переноса заряда на изолированный проводник (шар) происходит накопление высокого электростатического потенциала.


Устройство генератора Ван де Граафа

Рассмотрим более подробно основные конструктивные элементы генератора Ван де Граафа:

Диэлектрическая лента

В качестве ленты обычно используется гибкий диэлектрик — резина, шелк, нейлон и т.п. Ширина ленты может составлять 10-50 см. Лента должна обладать хорошими электроизоляционными свойствами.

Ролики

Нижний ролик заземлен и приводится во вращение мотором. Верхний ролик изолирован от земли и свободно вращается. Ролики изготавливаются из диэлектрических материалов — пластика, эбонита и др.

Щетки

Щетки изготавливаются из тонких металлических проволочек или полосок фольги. Нижняя щетка соединена с источником высокого напряжения, верхняя — с металлическим шаром.

Металлический шар

Полый металлический шар на вершине генератора служит накопителем заряда. Обычно изготавливается из алюминия. Диаметр шара может достигать нескольких метров в крупных установках.

Изолирующая колонна

Колонна из диэлектрика (оргстекло, эбонит) обеспечивает изоляцию верхней части генератора от земли. Высота колонны определяет максимальное напряжение.


Характеристики генератора Ван де Граафа

Основные технические характеристики генератора Ван де Граафа включают:

  • Максимальное напряжение — до 5-10 МВ
  • Сила тока — единицы микроампер
  • КПД — не более 50-60%
  • Высота установки — до 20-25 м
  • Диаметр шара — до 5-6 м

Какие факторы влияют на предельное напряжение генератора?

  • Размеры шара-накопителя
  • Высота изолирующей колонны
  • Качество изоляции
  • Влажность воздуха
  • Скорость движения ленты

Предельное напряжение ограничивается пробоем воздушного промежутка между шаром и землей.

Применение генератора Ван де Граафа

Где используется генератор Ван де Граафа в науке и технике?

Ускорители заряженных частиц

Генераторы Ван де Граафа применялись в первых ускорителях для создания высоких ускоряющих напряжений. Это позволило достичь энергий частиц в несколько МэВ.

Научные исследования

Генераторы используются в экспериментах по физике высоких энергий, ядерной физике, радиационной химии и других областях науки.

Имитация молний

С помощью генераторов Ван де Граафа моделируют воздействие молний на различные объекты и материалы.


Демонстрационные эксперименты

Генераторы широко применяются для наглядной демонстрации электростатических явлений в учебных целях.

Электростатическое осаждение

В промышленности генераторы используются для создания сильных электрических полей в системах электростатического осаждения пыли и аэрозолей.

Особенности генератора Ван де Граафа

Какие преимущества и недостатки имеет данный тип электростатических генераторов?

Преимущества:

  • Простота конструкции
  • Возможность получения сверхвысоких напряжений
  • Стабильность выходного напряжения
  • Безопасность (малый ток)

Недостатки:

  • Низкий КПД
  • Малая сила тока
  • Зависимость от влажности воздуха
  • Большие габариты установки

Несмотря на некоторые ограничения, генераторы Ван де Граафа остаются востребованными в ряде научных и технических приложений благодаря своей простоте и надежности.

Модификации генератора Ван де Граафа

За годы развития конструкция генератора Ван де Граафа претерпела ряд усовершенствований:

Тандемный генератор

Использование двух генераторов, соединенных последовательно, позволяет удвоить выходное напряжение. Такая схема применяется в некоторых ускорителях.


Пеллетрон

Вместо сплошной диэлектрической ленты используется цепь с металлическими пеллетами, разделенными изоляторами. Это повышает эффективность переноса заряда.

Генератор с газовой изоляцией

Помещение генератора в герметичный корпус, заполненный элегазом или азотом под давлением, позволяет существенно повысить напряжение пробоя.

Самостоятельное изготовление генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — популярный объект для самостоятельного изготовления в домашних условиях. Как сделать простейший генератор своими руками?

Необходимые материалы:

  • Пластиковая труба 40-50 см
  • Алюминиевая банка или фольга
  • Резиновая лента 3-5 см шириной
  • Щетки из тонкой проволоки
  • Электромотор с редуктором
  • Деревянное основание

Порядок сборки:

  1. Закрепить трубу на основании
  2. Установить ролики вверху и внизу трубы
  3. Натянуть резиновую ленту
  4. Прикрепить щетки у роликов
  5. Соединить нижний ролик с мотором
  6. Установить сферу из фольги на вершине

Такой простой генератор сможет создавать напряжение в несколько десятков киловольт, что достаточно для базовых экспериментов по электростатике.



Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности

Генератор Ван де Граафа является одним из самых известных генераторов высокого напряжения, который позволяет визуализировать поведение электронов. Устройство не нашло практического применения, и обычно используется как развлекательный прибор, показывающий принцип действия различных физических процессов. Генератор изобретен в 1929 году и был назван в честь своего открывателя.

Данное устройство может иметь два варианта исполнения: горизонтальное и вертикальное. Оба работают по одинаковому принципу и имеют внутри аналогичный набор деталей. Чаще всего применяется вертикальная установка, поскольку она позволяет добиться лучшего обзора при генерировании зарядов.

Генератор состоит из 5 основных элементов:
  • Ремешок из диэлектрической ленты.
  • Металлический шкив.
  • Шкив из диэлектрического материала.
  • Металлическая сфера.
  • Диэлектрический корпус с подставкой.

Металлический токопроводящий шкив находится в нижней части стойки генератора, а диэлектрический вверху. Между ними натянут ремешок из резины или шелка. Нижний шкив имеет заземление. В близи него находится электрод в виде щетки, на который подается напряжение. У верхнего шкива устанавливается второй электрод щетка, который подсоединен к сфере на верху генератора. Обе щетки трутся о диэлектрическую ленту.

Принцип работы генератора довольно простой. Его можно понять, даже имея пробелы в знаниях основных законов физики. Поскольку нижний щеточный электрод находится под высоким напряжением, а шкив, который закреплен рядом, выполнен из металла, то в воздушном пространстве между ними создаются положительно заряженные ионы. Они притягиваются к шкиву и налипают на электрическую ленту, которая вращается и поднимает ионы вверх к сфере, также выполняющей роль электрода. Верхние щетки снимают ионы, и отправляют их на металлическую сферу. Благодаря своей форме она накапливает положительно заряженные частицы. Вращающаяся лента постоянно доставляет все новые и новые ионы, пока не создастся их достаточного скопления для повышения потенциала на электроде.

Практическое использование

Генератор Ван де Граафа практически не нашел применения для выполнения полезных функций. Однако, его можно использовать для исследования поведения атомов. Многие ядерные лаборатории имеют среди своего технического оборудования и генератор Ван де Граафа, с помощью которого проводится ускорение частиц, что необходимо для начала ядерных реакций.

Подавляющее большинство существующих генераторов, работающих по данному принципу, используется в качестве учебного пособия, позволяющего демонстрировать процесс электростатики. Нередко генератор используется в развлекательных шоу. С его помощью имитируют миниатюрные молнии. Кроме того, вокруг сферы устройства создается поле, способное приподнимать легкие предметы. Самым известным и зрелищным способом демонстрации является отпускание над генератором небольшого кусочка фольги, который благодаря малому весу и токопроводимости удерживается на весу полем устройства. Он кружит вокруг сферы на протяжении продолжительного времени, особенно если имеет хорошую балансировку. Со временем траектория его полета искажается, и он прилипает к генератору.

Мощный генератор Ван де Граафа способен создавать крупные молнии, поэтому зрелище от использования такого прибора действительно завораживает. В связи с этим не удивительно, что на подобные представления приходят посетители, несмотря на то, что данные устройства существуют уже почти 100 лет. Вблизи генератора начиняют гореть осветительные приборы, неподключенные к сети.

Коронным трюком с использованием генератора является поднятие волос на голове. Нужно предварительно встать на резиновый коврик, после чего одной рукой прикоснуться к шару устройства.

Как пользоваться генератором

Применение генератора требует соблюдение определенных правил. Их нарушение может вызывать неприятные последствия. Получение разряда с его сферы по ощущениям похоже на удар молнии. Конечно, это опасно, но только в том случае если применяется генератор, который создает действительно большие напряжения.

Перед применением устройства его нужно очистить от постоянно прилипающей пыли, которая обычно покрывает диэлектрическую ленту и шкивы. Специально для этого в генераторах предусматривается возможность снятия сферы. Если грязь не захочет стираться, ее можно просто смыть, но после этого устанавливать детали обратно можно только после их высыхания.

Перед включением напряжения, генератор нужно заземлить, после чего запустить привод для обеспечения вращения ленты.

Правила предосторожности

В случае включения генератора в сетевую розетку необходимо, чтобы она имела заземление. Категорически запрещено прикасаться к поверхности устройства, за исключением нахождения ног на диэлектрическом коврике.

Запрещено приближаться к работающему генератору в случае использования кардиостимулятора. Также нужно учитывать, что прибор может навредить современному техническому оборудованию. В связи с этим, перед экспериментами с генератором нужно отложить в сторону мобильный телефон и электронные часы. Включенная вблизи от генератора компьютерная техника часто испытывает помехи, поэтому начинает показывать изображение на экране с дефектами. Это продолжается на протяжении всего периода, пока работает генератор.

Технические характеристики

Первый прототип генератора, который был успешно запущен, генерировал напряжение 80 КВ. Это высокий показатель, но является практически ничтожным против современных достижений. Установки, которые используются сегодня, способны генерировать 20 млн. вольт.

Самый мощный генератор Ван де Граафа построенный в истории выдавал напряжение в 20 МВ. Именно с его помощью были открыты суперформированные ядра.

Серийно выпускаются компактные генераторы, предназначенные для использования в кабинетах физики как наглядное учебное пособие. Такие устройства значительно более безопасные, и не выдают мощные разряды. Для проведения шоу по созданию молний обычно применяются генераторы, напряжение которых на выходе составляет до 100 кВ. Они питаются от обычной сети переменного тока на 220В. Высота таких устройств составляет 40-60 см, а вес редко превышает 7 кг.

Самостоятельное изготовление

Генератор Ван де Граафа очень часто изготовляется самостоятельно любителями физических экспериментов. Сделать его совсем несложно, но конечно самоделка не питается от сети переменного тока, поэтому совершенно безопасна. Нижняя щетка прибора подключается к блоку питания зарядного устройства обыкновенного мобильного телефона. В качестве диэлектрического ремешка для натяжения между роликами применяется изолента. Вместо токопроводящей сферы устанавливается обыкновенная алюминиевая банка из-под газировки.

Подобный примитивный генератор хотя и не может генерировать зрелищные молнии, но вполне способен при работе приподнимать фольгу, заставлять уклоняться в сторону тонкую струю воды из-под крана, и питать мелкие светодиоды, от чего они светятся.

Похожие темы:
  • Катушка Тесла. Устройство. Виды и работа. Применение
  • Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
  • Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления
  • Беспроводное электричество. Работа и применение. Особенности
  • Электричество. Электрический ток. Электростанции
  • Эффект Бифельда-Брауна. Работа и применение. Особенности
  • Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Ускорители. — 1962 — Электронная библиотека «История Росатома»

Ускорители. — 1962 — Электронная библиотека «История Росатома»

Главная → Указатель произведений

ЭлектроннаябиблиотекаИстория Росатома

Ничего не найдено.

Загрузка результатов…

 

 

Закладки

 

 

 

Обложка123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455456457458459460461462463464465466467468469470471472473474475476477478479480481482483484485486487488489490491492493494495496497498499500501502503504505506507508509510511512513514515516517518519520521522523524525526527528529530531532533534535536537538539540541542543544545546547548549550551552553554555556 пустая557558559560

 

 

Увеличить/уменьшить масштаб

По ширине страницы

По высоте страницы

Постранично/Разворот

Поворот страницы

Навигация по документу

Закладки

Поиск в издании

Структура документа

Скопировать текст страницы

(работает в Chrome 42+,
Microsoft Internet Explorer и Mozilla FireFox
c установленным Adobe Flash Player)

Добавить в закладки

Текущие страницы выделены рамкой.

 

Содержание

ОбложкаОбложка

1Титульные листы

 3

Яблоков Б. Н.

Предисловие к русскому переводу 5

Балдингер Э.

Каскадные генераторы

5[Введение]

 6I. Теория простых выпрямительных схем

6A. Выпрямитель, работающий на фильтр с емкостным входом

19Б. Выпрямитель с конденсатором очень большой емкости

32B. Выпрямитель с индуктивностью на входе фильтра

 37II. Каскадные генераторы

37A. Предварительные замечания

38Б. Постановка задачи

42B. Нагруженный каскадный генератор

61Г. Разновидности каскадного генератора

66III. Получение высокого напряжения с помощью лампового генератора

77IV. Заключительные замечания

79Литература

 80

Херб Р.

Ускорители Ван де Граафа

80Введение

82A. Первые разработки

88Б. Конструкция электродов

93B. Зарядная система

101Г. Система крепления

104Д. Ускорительная трубка

113Е. Ионные источники и связанное с ними оборудование

117Ж. Измерение и стабилизация напряжения генератора

122З. Рабочие характеристики и возможности действующих генераторов

126И. Общие вопросы

131Литература

 133

Коуэн Б.

Циклотрон и фазотрон

133Введение

 136А. Теория

 136I. Орбитальная устойчивость

136а) Магнитная фокусировка в циклотроне и фазотроне

143б) Магнитная фокусировка в циклотроне с азимутальной вариацией поля

149в) Влияние электрического поля

 154II. Фазовое движение

154а) Начальная область

157б) Фазовое движение в циклотроне

163в) Фазовое движение в фазотроне

 170Б. Основные узлы циклотронов

170а) Электромагнит

178б) Высокочастотная система

187в) Ионные источники

191г) Вакуумные системы

193д) Система вывода пучка

198е) Мишени

200ж) Опасность облучения и защита

204з) Управление и блокировка

205В. Разное

218Приложение. Вывод уравнения (5.13)

219Литература

 221

Вильсон Р.

Синхротрон

2211. Введение

2222. Фазовая устойчивость в синхротроне

2243. Магниты синхротронов

2294. Инжекторы

2305. Влияние остаточного газа на работу синхротрона

2336. Электромагнитное излучение электронов

2387. Синхротронные колебания

2438. Бетатронные колебания

2479. Высокочастотная система

24910. Интенсивность

25211. Калибровка синхротрона

255Литература

 257

Керст Д.

Бетатрон

257I. Принцип индукционного ускорения

258II. Теория орбит

275III. Практические схемы

291Литература

 292

Грин Г., Курант Э.

Синхрофазотрон

292А. Введение

 295Б. Синхрофазотрон с постоянным градиентом

295I. Орбиты частиц

310II. Общее описание

315III. Магнитные системы

343IV. Системы питания магнитов

354V. Вакуумная система

366VI. Инжекция

384VII. Высокочастотная система

414VIII. Работа синхрофазотрона

425В. Теория ускорителей со знакопеременным градиентом

453Г. Синхрофазотроны со знакопеременным градиентом

486Литература

 489

Смит Л.

Линейные ускорители

489I. Введение

492II. Общие принципы

497III. Электронные ускорители

524IV. Ускорители ионов

554Литература

557Содержание

560Концевая страница

 

Обращаясь к сайту «История Росатома — Электронная библиотека»,
я соглашаюсь с условиями использования представленных там материалов.

Правила сайта (далее – Правила)

  1. Общие положения
    1. Настоящие правила определяют порядок и условия использования материалов, размещенных на сайте www.biblioatom.ru (далее именуется Сайт), а также правила использования материалов Сайтом и порядок взаимодействия с Администрацией Сайта.
    2. Любые материалы, размещенные на Сайте, являются объектами интеллектуальной собственности (объектами авторского права или смежных прав, а также прав на средства индивидуализации). Права Администрации Сайта на указанные материалы охраняются законодательством о правах на результаты интеллектуальной деятельности.
    3. Использование материалов, размещенных на Сайте, допускается только с письменного согласия Администрации Сайта или иного правообладателя, прямо указанного на конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала.
    4. Права на использование и разрешение использования материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, допускается с разрешения таких правообладателей или в соответствии с условиями, установленными такими правообладателями. Никакое из положений настоящих Правил не дает прав третьим лицам на использование материалов правообладателей, прямо указанных на конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала.
    5. Настоящие Правила распространяют свое действие на следующих пользователей: информационные агентства, электронные и печатные средства массовой информации, любые физические и юридические лица, а также индивидуальные предприниматели (далее — «Пользователи»).
  2. Использование материалов. Виды использования
    1. Под использованием материалов Сайта понимается воспроизведение, распространение, публичный показ, сообщение в эфир, сообщение по кабелю, перевод, переработка, доведение до всеобщего сведения и иные способы использования, предусмотренные действующим законодательством Российской Федерации.
    2. Использование материалов Сайта без получения разрешения от Администрации Сайта не допустимо.
    3. Внесение каких-либо изменений и/или дополнений в материалы Сайта запрещено.
    4. Использование материалов Сайта осуществляется на основании договоров с Администрацией Сайта, заключенных в письменной форме, или на основании письменного разрешения, выданного Администрацией Сайта.
    5. Запрещается любое использование (бездоговорное/без разрешения) фото-, графических, видео-, аудио- и иных материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих Администрации Сайта и иным правообладателям (третьим лицам).
    6. Стоимость использования каждого конкретного материала или выдача разрешения на его использование согласуется Пользователем и Администрацией Сайта в каждом конкретном случае.
    7. В случае необходимости использования материалов Сайта, права на которые принадлежат третьим лицам (иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от них), Пользователи обязаны обращаться к правообладателям таких материалов для получения разрешения на использование материалов.
  3. Обязанности Пользователей при использовании материалов Сайта
    1. 3.1. При использовании материалов Сайта в любых целях при наличии разрешения Администрации Сайта, ссылка на Сайт обязательна и осуществляется в следующем виде:
      1. в печатных изданиях или в иных формах на материальных носителях Пользователи обязаны в каждом случае использования материалов указать источник – электронная библиотека «История Росатома» (www. biblioatom.ru)
      2. в интернете или иных формах использования в электронном виде не на материальных носителях, Пользователи в каждом случае использования материалов обязаны разместить гиперссылку на Сайт — электронная библиотека «История Росатома» (www.biblioatom.ru), гиперссылка должна являться активной и прямой, при нажатии на которую Пользователь переходит на конкретную страницу Сайта, с которой заимствован материал.
      3. Ссылка на источник или гиперссылка, указанные в пп. 3.1.1 и 3.1.2. настоящих Правил, должны быть помещены Пользователем в начале используемого текстового материала, а также непосредственно под используемым аудио-, видео-, фотоматериалом, графическим материалом Администрации Сайта.
    2. Размеры шрифта ссылки на источник или гиперссылки не должны быть меньше размера шрифта текста, в котором используются материалы Сайта, либо размера шрифта текста Пользователя, сопровождающего аудио-, видео-, фотоматериалы и графические материалы Сайта, а также цвет ссылки должен быть идентичен цветам ссылок на Сайте и должен быть видимым Пользователю.
    3. Использование материалов с Сайта, полученных из вторичных источников (от иных правообладателей, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от них), возможно только со ссылкой на эти источники и, в случае необходимости, установленной такими источниками (правообладателями), — с их разрешения.
    4. Не допускается переработка оригинального материала (произведения), взятого с Сайта, в том числе сокращение материала, иная его переработка, в том числе приводящая к искажению его смысла.
  4. Права на материалы третьих лиц, урегулирование претензий
    1. Материалы, права на которые принадлежат третьим лицам, размещенные на Сайте, размещены либо с разрешения правообладателя, полученного Администрацией Сайта, либо, в случае, если таковое использование прямо не запрещено правообладателем, в соответствии с Законодательством РФ в информационных целях с обязательным указанием имени автора, материал которого используется, и источника заимствования.
    2. В случае, если в обозначении авторства материалов в соответствии с п. 4.1. настоящих Правил содержится ошибка, или в случае использования материала с предполагаемым или реальным нарушением прав третьих лиц, или в иных спорных случаях использования объектов интеллектуальной собственности, размещенных на Сайте, в том числе в случае, когда права третьего лица тем или иным образом нарушаются с использованием Сайта, применяется следующая схема урегулирования претензий третьих лиц к Администрации Сайта:
      1. в адрес Администрации Сайта по электронной почте на адрес [email protected] направляется претензия, содержащая информацию об объекте интеллектуальной собственности, права на который принадлежат заявителю и который используется незаконно посредством Сайта или с нарушением правил использования, или иным образом права заявителя как обладателя исключительного права на объект интеллектуальной собственности, размещенный на Сайте, нарушены посредством Сайта, с приложением документов, подтверждающих правомочия заявителя, данные о правообладателе и копия доверенности на действия от лица правообладателя, если лицо, направляющее претензию, не является руководителем компании правообладателя или непосредственно физическим лицом — правообладателем. В претензии также указывается адрес страницы Сайта, которая содержит данные, нарушающие права, и излагается полное описание сути нарушения прав;
      2. Администрация Сайта обязуется рассмотреть надлежаще оформленную претензию в срок не менее 5 (пяти) рабочих дней с даты ее получения по электронной почте. Администрация Сайта обязуется уведомить заявителя о результатах рассмотрения его заявления (претензии) посредством отправки письма по электронной почте на адрес, указанный заявителем, а также направить ответ в письменном виде на адрес, указанный заявителем (в случае неуказания такового адреса отправки, обязательство по предоставлению письменного ответа на претензию с Администрации Сайта снимается). В том числе, Администрация Сайта вправе запросить дополнительные документы, свидетельства, данные, подтверждающие законность предъявляемой претензии. В случае признания претензии правомерной, Администрация Сайта примет все возможные меры, необходимые для прекращения нарушения прав заявителя и урегулирования претензии;
      3. Администрация Сайта в любом случае предпринимает все возможные меры к скорейшему удовлетворению обоснованных претензий третьих лиц и стремиться к максимально скорому урегулированию всех спорных вопросов.
  5. Прочие условия
    1. Администрация Сайта оставляет за собой право изменять настоящие Правила в одностороннем порядке в любое время без уведомления Пользователей. Любые изменения будут размещены на Сайте. Изменения вступают в силу с момента их опубликования на Сайте.
    2. По всем вопросам использования материалов Сайта Пользователи могут обращаться к Администрации Сайта по следующим координатам: [email protected]
    3. Во всем, что не урегулировано настоящими Правилами в отношении вопросов использования материалов на Сайте, стороны руководствуются положениями Законодательства РФ.

СогласенНе согласен

Самодельный генератор Ван де Граафа / Хабр

Как любитель ядерной физики и ускорительной техники я всегда нахожусь в поиске новых источников высокого напряжения. Обычно таким устройством оказывается нечто на основе большого трансформатора, умножителя напряжения или их комбинации. Но существует и множество других методов генерации высокого напряжения, которые зачастую не учитываются и рассматриваются как устаревшие. Один из них – это старый добрый генератор Ван де Граафа, изобретённый ещё в 1929 году. О сборке подобного устройства собственными силами и пойдёт речь в данной статье.

Генератор Ван де Граафа (VDG, Van de Graaf Generator) удивительная машина, способная достигать мегавольтового диапазона и использовавшаяся в ускорителях постоянного тока. Самым известным примером подобного устройства является Westinghouse Atom Smasher (ядерный ускоритель Ван де Граафа), который применялся для вызова первого зарегистрированного процесса фотоделения.

В своём принципе генераторы Ван де Граафа очень просты, но с течением времени претерпели множество изменений и доработок, обретя свою конечную форму в виде пелетрона. Эта их модификация до сих пор используется при создании небольших высоковольтных ускорителей, выпускаемых в основном компанией High Voltage Engineering, основанной самим мистером Ван де Граафом.

Желая немного отвлечься от экзаменов текущего семестра, я решил создать самовозбуждающуюся версию такого генератора в его простейшей форме. Конструкция будет состоять преимущественно из 3D-печатных, выточенных и вырезанных лазером деталей, а также включать кое-какие компоненты из хозяйственного магазина и садового инструментария.

В основе моего генератора лежит акриловая пластина, на которой установлен двигатель от старого садового инструмента, подшипники для нижнего ролика и держатель для трубки, через которую проходит передающий заряд ремень. Здесь же, подвешенная над ремнём и нижним роликом, установлена нижняя щётка для передачи заряда.

Дополнительные фото

Верхняя часть генератора по своей конструкции ещё проще. Она состоит из установленной на трубе 3D-печатной детали, в которую впаяны резьбовые вставки для фиксации подшипниковых узлов под верхний ролик, а также второй щётки. Узлы подшипников закреплены на резьбовых шпильках, на которых установлена железная платформа, удерживающая верхнюю сферу. Щётка напрямую подсоединена к узлам подшипников через шпильку. В ходе экспериментов я не обнаружил разницы между тем, подключены подшипники к щётке или нет.

Ремень передачи заряда сделан из фитнес-резинки “Thera-Band Gold”. Ширина этой резинки 120мм, но мой проект предполагал ширину 80мм и замкнутую петлю, а не просто прямой ремень. Для обрезки ленты в нужный размер хорошо подошёл дисковый нож (не стоит пытаться обрезать её с помощью скальпеля или чего-то подобного), после чего я склеил концы в форме V, чтобы более эффективно распределить получившийся нахлест вдоль шва. Сами ролики сделаны из ПТФЭ и нейлона 6-6, оба 80мм в длину и 25мм в диаметре. При этом их края сужаются с уклоном в 5° для обеспечения правильного хода ленты. Крепятся ролики на своих осях стопорными винтами М4.

Дополнительные фото

Последний элемент – это верхняя сфера, которая выполняет несколько функций. Она сохраняет передаваемый заряд, накапливая напряжение, обеспечивает гладкую поверхность для поддержания высокого напряжения пробоя, а также выступает в роли клетки Фарадея, сохраняя внутреннее электрическое поле свободным. Последняя её задача является наиболее важной, поскольку обеспечивает преобразование VDG в реальный источник тока, независимо от напряжения на его выводах.

Основная часть – это стальная полая сфера диаметром 30см, купленная в отделе садового декора. В этой сфере я проделал отверстие, а на получившуюся кромку приклеил гладкий бортик, который отрезал от миски для собачьего корма.

Удерживается сфера на генераторе магнитом, прикреплённым к стальной пластине над верхним роликом. Сам магнит я зафиксировал на термоклей, отцентровав относительно отверстия снизу.
Установив ПТФЭ-ролик внизу и нейлоновый вверху, я получаю на электроде положительное напряжение при силе тока от 15 до 20мкA. Для лучшей видимости разрядов пробоя я дополнительно собрал стойку с заземлённым электродом, представляющую собой зафиксированный на деревянной основе стержень из текстолита, на котором установлена сфера диаметром 100мм. В зависимости от влажности окружающего воздуха генерируются разряды длиной от 20 до 50см. При превышении этого диапазона разряд бьёт уже в воздух, а не в заземлённый электрод.

Если я решу собрать новую версию этого генератора для использования в качестве источника питания, то кое-что сделаю иначе. Во-первых, реализую его с внешним возбуждением, что позволит с лёгкостью контролировать поступающий ток и полярность. Основное отличие генераторов с внешним возбуждением в том, что они не опираются на трибоэлектрический эффект, а используют для передачи заряда на ленту металлические ролики и высоковольтное смещение на нижней щётке.

Также можно повысить передаваемый ток, установив несколько щёток в разных положениях, что обеспечит зарядку терминала при движении ленты как вверх, так и вниз.

Ещё одной значительной доработкой стало бы более эффективное формирование силовых линий поля с целью снижения напряжённости электрического поля на электроде и уменьшения количества разрядов по воздуху. Поскольку верхний электрод сферический, его электрическое поле пропорционально 1/r², в связи с чем на поверхности оно имеет высокую плотность.

Кроме того, установка между электродом и заземлённым основанием градуирующих колец, подключённых через высокоомный делитель напряжения, позволит сделать напряжённость поля более линейной по всей его протяжённости.

Градуирующие кольца можно встретить в коммерческих ускорителях Ван де Граафа. Они эффективно помогают получить более высокое и стабильное напряжение.


Коммерческий VDG-ускоритель со множеством градуирующих колец. Фото с Science Museum Group

Это линейное выравнивание можно легко продемонстрировать с помощью простого скрипта Python, который строит сферическое и идеализированное линейное поле при любых заданных параметрах напряжения, размера сферы и расстояния до земли. Естественно, он содержит ряд серьёзных допущений, но при этом очень хорошо отражает основную идею. Общепринятым значением для формирования разряда в воздушной среде считается 1МВ/м.

Telegram-канал и уютный чат для клиентов

120 лет со дня рождения великого изобретателя электростатического генератора

1463

Добавить в закладки

20 декабря 1901 года родился американский физик, изобретатель электростатического генератора Роберт Ван де Грааф – человек, который первый создал высоковольтный электростатический ускоритель, заложил идею тандемного ускорителя и реализовал её как тандемный ускоритель отрицательных ионов. 

Роберт Ван де Грааф успешно окончил университет Алабамы по специальности машиностроение. После учебы работал в электрогенерирующей компании Alabama Power Company. В период 1924-1925 годов дополнительно слушал лекции Марии Кюри, готовясь к поступлению в Оксфордский университет. 

По окончанию успешного обучения в Оксфорде и защите диссертации был приглашен в Принстонский университет, где в 1929 году создал свой первый генератор Ван де Граафа с напряжением 80 кВ. А через 2 года ученый смог получить напряжение 1 МВ. Первоначальные высокие результаты в разработках позволили Роберту Ван де Граафу продвинутся ещё дальше. Так, в 1931 году он начинает работать в Массачусетском технологическом университете, где до 1960 года продолжает свою научную деятельность. К 1933 году ученый-физик создает генератор с напряжением 7 мегавольт, и через 2 года Роберт Ван де Грааф получает патент на новый генератор. 

После Второй мировой войны, в 1946 году, совместно с Джоном Трампом (американским электротехником, изобретателем и физиком) основал компанию High Voltage Engineering Corporation (HVEC), которая стала лидирующей организацией в производстве электростатических ускорителей для терапии рака и промышленной радиографии.

Схема строения генератора Ван де Граафа

Источник — Википедия

Из чего же состоял самый популярный высоковольтный генератор Ван де Граафа? Принцип работы изобретения выглядел так – диэлектрическая (можно было использовать шёлковую или резиновую) лента (на схеме пункт 4) соединяет два вращающихся ролика (3 и 6), где верхний – диэлектрический, а нижний – металлический. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу (пункт 1). Два электрода (пункты 2 и 5) похожи на щётки и расположены на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод (пункта 2) соединён с внутренней поверхностью сферы (пункт 1). Через щетку (5) воздух ионизируется от источника высокого напряжения (пункта 7). Там образовываются положительные ионы под действием силы Кулона (закон физики, описывающий тесное взаимодействие между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами в вакууме). Они движутся к заземлённому ролику (пункт 6) и оседают на ленте. Эта движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы (пункт 1), где он снимается щёткой (2), под действием всё той же силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Отсюда, на внешней поверхности сферы появляется электрический заряд. 

Сейчас современные генераторы Ван де Граафа вместо лент используют цепи, состоящие из чередующихся металлических и пластиковых звеньев.  

За эту уникальную разработку Роберт Ван де Грааф в 1966 году был удостоен премии Т. Боннера. А после ухода из жизни именем великого американского изобретателя был назван кратер на обратной стороне Луны – кратер Ван де Грааф. 

Материал подготовлен на основе из открытых источников.

Источник изображения в тексте и на главной странице. 

Корреспондент Анна Посохова

электростатический генератор Роберта Ван де Граафа тандемный ускоритель отрицательных ионов

Роберт Ван де Грааф

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Россия 1, «Вести недели» с Эрнестом Мацкявичюсом. Академик РАН Анатолий Деревянко об открытии Нобелевского лауреата Сванте Паабо

21:39 / Археология, История, Палеонтология

Пермские ученые нашли способ предотвратить дефекты металлических деталей

16:24 / Инженерия, Математика, Новые технологии

РАН представит лекторий на Фестивале НАУКА 0+

15:30 / Наука и общество

Академик Анатолий Деревянко объяснил, за что присудили Нобелевскую премию по медицине 2022

15:01 / Биология, История, Медицина

«Материя» в РХТУ на Фестивале НАУКА 0+

14:30 / Наука и общество, Химия

Нобелевскую премию по медицине 2022 присудили за изучение вымерших человекообразных обезьян и эволюции человека

14:15 / Биология, История, Медицина

Физики повысили эффективность адресной доставки лекарств с помощью мягких наногелей

13:30 / Медицина, Физика

Определен ген, отвечающий за формирование «скелета» клетки

13:15 / Биология

Научные бои психологов на Фестивале НАУКА 0+

12:30 / Наука и общество, Психология

Искусственный интеллект и количественная масс-спектрометрия предскажут исход заболевания COVID-19

11:30 / Медицина

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Генератор Ван-де-Граафа, 230 В / 50 Гц