Генератор ван де граафа своими руками

На уроках физики, чтобы показать действие, совершаемое статическим электричеством, демонстрируют генератор Ван де Граафа. Необычное устройство, пуская в разные стороны миниатюрные молнии, приводит в восторг учеников. Но мало кто знает, что генератор также использовался для опытов в сфере ядерной физики.

История создания

Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-1967), работавший в Принстонском университете, вошел в историю как создатель электростатического ускорителя элементарных частиц.

Первое описание генератора Ван де Граафа было сделано в 1929 году, а через два года он создал высоковольтный ускоритель, который мог выдавать электрическое напряжение 1 МВ. В 1935 году усовершенствованная конструкция вырабатывала уже 7 мегавольт.

Генератор Ван де Граафа впоследствии стал основой для современной разновидности линейного ускорителя, названного пеллетроном. Разница между ними заключалась в способе передачи заряженных частиц. Если у генератора они передавались при помощи диэлектрической ленты, то у пеллетрона — металлической цепью.

Принцип действия

Конструкция генератора позволяет делать его как в горизонтальном исполнении, так и в вертикальном. Основной его частью является большая металлическая сфера, на поверхности которой происходит накопление заряженных частиц. Внутри корпуса из изолированного материала находятся два ролика, соединенных между собой диэлектрической лентой. Изначально она была выполнена из шелка и резины, а впоследствии заменена цепью.

Нижний ролик имеет заземление и соединение с малой сферой, также у него есть привод для вращения. Верхний ролик через металлическую щетку соединен с большой сферой.

По мере вращения нижнего ролика происходит ионизация воздуха с последующим переносом заряженных частиц к верхнему ролику. Через металлическую щетку поток ионов переносится на поверхность большой сферы, где накапливается в виде электростатического заряда.

Мощность генератора Ван де Граафа ограничена коронным разрядом, создающим светящуюся оболочку вокруг заряженного электрода.

Где применяется генератор

Изначально устройство применялось для разгона заряженных частиц, но со временем появились более совершенные ускорители, и необходимость в нем отпала. В настоящее время опыты с генератором Ван де Граафа ставятся в основном для моделирования процессов, происходящих во время грозовых разрядов.

В современных школах это устройство является стандартным оборудованием физических кабинетов. На территории бывшего СССР генератор не выпускался. В школах для опытов использовалась электрофорная машина Вимшурста, которая была впоследствии названа «Разряд».

Способность генератора издавать разряды используется в различных шоу-программах и цирковых трюках. Он может создавать поле, удерживающее в воздухе небольшие предметы, а мощный заряд позволяет работать электрическим приборам вдали от источника электричества.

Меры предосторожности

Как любое устройство, создающее высокое напряжение, генератора Ван де Граафа требует мер предосторожности при работе с ним. Разряду неважно, где возникать: между разнополярными электродами или между заряженным электродом и телом человека. Достаточно существенной разницы в потенциалах. Поэтому при работе с генератором человек должен находиться на резиновом коврике, чтобы его потенциал оставался нейтральным по отношению к накопленному заряду.

Если человек будет находиться на полу, тем более на влажном, то он станет отличным проводником для передачи заряженных частиц земле, и через его тело пройдет разряд величиной в несколько тысяч, а может, и миллионов вольт. Единственное, что может позволить человеку остаться в живых — это малая сила тока.

Люди, имеющие кардиостимуляторы, не должны приближаться к генератору. Электронные приспособления, такие как часы, сотовые телефоны, могут давать сбой в работе. Поэтому перед началом экспериментов нужно оставить их в стороне.

Перед началом работы

Элементы генератора, такие как ленты, шкивы, сфера, притягивают к себе пыль, как магнит. Перед началом работы нужно очистить механизмы. Для этого нужно снять большую сферу и влажной тряпочкой протереть детали устройства. Если накопленный заряд не позволяет избавиться от пыли, то можно применить спрей-антистатик для волос.

Самое важное, что нужно сделать до начала вращения генератора — это убедиться в заземлении малого электрода. Иначе разряд будет бить в объект, обладающий большей массой, то есть в человека.

Из чего собрать генератор в домашних условиях

Теперь, когда принцип действия генератора Ван де Граафа известен, можно самостоятельно собрать действующую модель для домашних экспериментов. После небольших испытаний выяснилось, что для получения заряженных частиц лучше всего подходит труба ПВХ для водопровода. Если ее потереть синтетическим материалом, то появившийся в ней заряд позволят притягивать мелкие бумажки, отклонять струю воды, падающей вниз. Поэтому ПВХ-труба станет источником заряженных частиц.

А что будет переносить электроны на сферу генератора? Опыты показали, что лучше всего подходит медицинский бинт Мартенса. Он состоит из полиэстера, латекса и хлопчатобумажной ткани.

Теперь, когда определились с основными рабочими частями, составляется полный список необходимых материалов:

1. Большая металлическая сфера. Она изготавливается из двух крупных салатниц, продающихся в ближайшем гипермаркете.
2. Труба ПВХ. Потребуется 2 отрезка разного диаметра. Первый станет корпусом генератора, а второй нужно подобрать таким образом, чтобы он плотно надевался на шкив, соединенный с приводом.
3. Верхний шкив. Можно использовать любой подходящий предмет, на котором бы держалась лента, не соскакивая. Например, старую втулку от велосипедного колеса или большую пластиковую катушку с бортами.
4. Отрезок медного многожильного провода. Из него будут изготовлены щетки, снимающие и передающие заряд.
5. Маломощный электродвигатель. Потребуется для вращения нижнего шкива. Однако если есть желание, то привод можно сделать ручной.
6. Металлические планки для опоры генератора, а также для фиксации шкивов на ПВХ трубе.
7. Металлический половник. Будет выступать в роли малого электрода.

Сборка генератора Ван де Граафа своими руками

Когда все материалы подготовлены, можно приступить к изготовлению:

1. Из металлических планок сделать прямоугольную основу для генератора. Ее нужно выполнить в форме квадрата. Размеры должны обеспечивать устойчивость конструкции. Также нужно предусмотреть крепление под электродвигатель.

   

2. Закрепить на валу электродвигателя нижний шкив. Рабочая поверхность его должна быть закрыта куском ПВХ трубы, который отрезается по ширине бинта Мартенса.
3. Закрепить на платформе электродвигатель таким образом, чтобы шкив находился по ее центру.
4. Над шкивом прикрепить в вертикальном положении трубу ПВХ диаметром 150 мм. По длине она должна быть 50-60 см. Чтобы было легко снимать и надевать ленту, на трубе нужно сделать осевой вырез шириной 4-5 см.
5. На верхнюю часть вертикальной трубы нужно установить второй шкив. Делается это с помощью крепежных скоб.

   

6. Изготовить из салатниц сферу. Для этого на одной из них вырезать в нижней части отверстие точно по диаметру трубы. К этой же салатнице по периметру нужно припаять несколько скоб, которые будут удерживать вторую половину.

   

7. Сделать щетку из многожильного провода. Для этого снять изоляцию на отрезке 2-3 см и развести пучок на отдельные провода. Щетку одним концом нужно закрепить так, чтобы она касалась верхнего шкива, а другой конец нужно припаять к сфере.
8. Чтобы из половника сделать электрод, нужно соединить рукоятку с металлической основой генератора и выполнить заземление. Ручку надо изолировать. Для этого подойдет та же ПВХ труба небольшого диаметра.

   

Прототипы генератора Ван де Граафа на фото столетней давности мало отличаются от устройства, сделанного своими руками. Теперь, когда прибор полностью готов, можно приступать к опытам.

Генератор Ван де Граафа был изобретен в начале двадцатого столетия. Его использовали для разных целей, в частности, для ядерных исследований. Позже применение сузилось. Сегодня можно купить его как игрушку и демонстрировать детям, левитацию различных объектов. Также генератор можно соорудить самостоятельно. Тогда он станет отличной учебной моделью, с которой проводят разные опыты.

Детские фокусы

Хотите сотворить «волшебство»? Возьмите пакет из полиэтилена, обрежьте оба конца и завяжите на ниточке, чтобы получился бантик. Затем обычную линейку из пластика хорошенько потрите о шерстяную вещь и поднесите ее к бантику: начнется полет…

Готовую «волшебную палочку» с фигурками, с которыми можно делать такие фокусы, можно и купить в магазине.

Но самый простой вариант увидеть «волшебство» — это просто погладить кошку. Тогда можно и почувствовать, и увидеть возникшее статическое электричество.

А вот игрушка, повторяющая конструкцию генератора Ван де Граафа, работает на аккумуляторной батарее. Когда нажимают на кнопку, на кончике создается электростатический заряд. Поэтому фигурка перенимает его, и одноименные заряды начинают отталкиваться друг от друга. Так как фигурка вырезана определенным образом, она «надувается» и получает объем. Если заряд ослабевает, то нужно просто еще раз нажать на «волшебную» кнопку.

Немного истории

Конечно, генератор Ван де Граафа — это не только детские игрушки. Сам физик создал свое детище для проведения серьезных исследований в разделе атомной физики. Первый демонстрационный образец был сделан в 1929 году. Он был небольшого размера. Более внушительные габариты получил генератор Ван де Граафа, установленный на рельсы для дирижаблей. Модель состояла из двух столбов, наверху которых расположили полые сферы из алюминия диаметром пятнадцать футов.

Сооруженные в 1931 и 1933 годах установки достигали мощности в семь миллионов вольт. А ведь лишь заряд до восьмидесяти киловольт обеспечивал первый генератор Ван де Граафа.

Принцип действия

Внутри вращается вертикально диэлектрическая лента из бумаги. Ролик, расположенный наверху, является диэлектриком, а нижний выполнен из металла и соединен с землей. Щеточный электрод в сфере снимает и подает заряд, который распределялся в сфере равномерно. Рядом с электродом, находящимся внизу, воздух ионизируется, полезные ионы оседают на ленте, и та ее часть, которая направляется вверх, заряжается.

Чтобы получалась высокая разность потенциалов в линейных ускорителях частиц (для чего и нужны были эти генераторы), использовались две сферы с разными зарядами. В одной из них накапливались положительные, и в другой — отрицательные. Когда концентрация достигала определенного уровня, между ними проскакивал электроразряд. Именно он и исследовался. Напряжение здесь доходило до миллионов вольт.

Ранее устройства применялись для ядерных исследований и ускорения частиц. После того как появились другие способы ускорения, их стали использовать в этой сфере гораздо реже. В настоящее время генератор Ван де Граафа в большей степени служит для моделирования. К примеру, с его помощью имитируют природные разряды газа. Вместо лент в установках часто используют цепи, состоящие из пластиковых и железных звеньев поочередно.

Что нужно для самостоятельной сборки прибора

Модель несложно соорудить самостоятельно из подручных средств. Генератор Ван де Граафа, своими руками собранный, состоит из следующих составляющих:

• карандаша;
• обрезка трубы ПВХ;
• резинки;
• скрепки;
• фольги из алюминия;
• двигателя от игрушки;
• неработающей лампочки;
• сухих паст от ручки;
• батарейки на девять вольт;
• скотча;
• провода;
• дощечки.

Все элементы должны быть сухими, так же, как и воздух в помещении. В противном случае работать конструкция просто не будет или будет, но очень слабо.

Вот какой получится генератор Ван де Граафа. Фото ниже показывает, как должна выглядеть модель.

Как генератор делается самостоятельно

Сначала сверлят отверстие на дощечке, которая станет основанием конструкции. Сверло подбирают подходящего диаметра, форма — в виде пера. Затем на трубке проделывают два отверстия: сверху и снизу, для паст. Делают еще два отверстия: одно чуть выше верхнего, а второе — перпендикулярно нижнему.

Далее пасты нужно полностью очистить от чернил. Вырезают кусок, соответствующий внутреннему диаметру трубы. Берут скрепку, выпрямляют и отрезают кусок достаточной длины, чтобы он на сантиметр выступал из трубки.

Из скотча изготавливают диэлектрическую ленту. Резинку обклеивают так, чтобы обе стороны тоже были липкими.

Подготовленные элементы собирают.

Добавляют щетки, собирающие заряд. Внизу кисть проходит через отверстие, а кончик делают распушенным. Кисти должны находиться близко к резинке, но не касаться ее. Верхнюю продевают через отверстие наверху.

После этого при помощи фольги из алюминия обклеивают неработающую уже лампочку. К фольге крепится верхний провод. Лампу вставляют сверху конструкции.

Генератор Ван де Граафа учебный готов.

Опыты

Если к верхнему электроду прикрепить несколько нитей и приблизить руки, то они «встанут дыбом» и обовьют пальцы. Попробуйте провести опыты в темноте.

Чтобы получить более мощное напряжение, соединяют два генератора.

Хорошим вариантом для опытов станет лейденская банка.

Самым известным опытом является тот, при котором волосы становятся дыбом. Для этого нужно встать на резиновый коврик, деревянную доску или фанеру. Руку ставят на сферу (при этом генератор должен быть выключен, чтобы не ударило током). После включения прибора пройдет искра, в результате чего волосы встанут дыбом.

Генератор следует разряжать после каждого применения и работать с ним крайне осторожно, так как ток может стать смертельно опасным для человека.

Принцип действия генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — один из первых линейных ускорителей. Тем не менее воспроизвести его действующую модель по силам любому, кто хоть немного разбирается в электротехнике.

Генератор состоит из двух сфер, на которые подаются положительные и отрицательные заряды, диэлектрической закольцованной ленты, натянутой на 2 вращающихся валика (верхнего и нижнего), двух электродов в виде щеток, расположенных около валиков, причем верхний электрод замкнут на внутреннюю поверхность сферы, а нижний соединен с источником высокого напряжения.

Устройство начинает работать с вращением ленты, натянутой на валики. Верхний валик изготовлен из диэлектрического материала, а нижний – из металла с заземлением. Верхний электрод соединен с металлической сферой, а нижний, связанный с источником высокого напряжения, ионизирует окружающий воздух и создает положительные ионы, «прилипающие» к движущейся ленте.

Она, подобно транспортеру, «доставляет» положительные заряды «наверх», где с валика их снимает щеточный электрод, перебрасывая на внутреннюю поверхность сферы, где заряды накапливаются.

Одновременно на другой сфере происходит накопление отрицательных зарядов. Как только накопленный потенциал достигает критического уровня, происходит электрический разряд.

На заре ядерной эпохи генератор Ван де Граафа какое-то время использовался в качестве линейного ускорителя частиц. Но его активная научная «карьера» продолжалась недолго. Очень скоро появились ускорители нового поколения, несоизмеримые по мощности и возможностям со своим предшественником.

Однако в отличие от своих «ровесников», электротехнических устройств середины прошлого века, списанных в утиль, генератор Ван де Граафа ведет довольно активную жизнь. Из ведущих исследовательских центров он перебрался в школьные физклассы и институтские лаборатории, став, к примеру, незаменимым учебным пособием для моделирования природных разрядов в газовой среде.

Пожалуй, одним из самых известных опытов носит название «волосы дыбом». Для этого нужно встать на резиновый коврик или деревянную доску и прикоснуться к включенному генератору Ван де Граафа. Обладателей пышной шевелюры ждет сюрприз, достойный снимка с последующим размещением в Instagram.

Генератор Ван де Граафа своими руками

В нем воплощен известный тезис: «Все гениальное просто». В YouTube и на интернет-сайтах можно встретить десятки вариантов действующих генераторов Ван де Граафа, изготовленных руками умельцев из абсолютно доступных подручных материалов – карандашей, обрезков водопроводных труб ПВХ, резинок, канцелярских скрепок, батареек, электродвигателей от игрушек, скотча, проводов и т. д. Данный перечень ограничивается лишь фантазией и квалификацией изобретателей.

Наиболее доступным является вариант с обрезком трубы ПВХ, внутри которого на осях крепятся вращающиеся валики, соединенные между собой прочной лентой. Для установления осей необходимо с помощью разогретого паяльника вверху и внизу проделать параллельные отверстия.

Перпендикулярно к нижней оси проделывается еще одно отверстие для щетки. Нижний валик и щетка соединяется с электромотором. В качестве сферы можно задействовать использованную банку из-под газировки емкостью 0,33 л. К стороне, обращенной внутрь трубы, прикрепляется щетка для снятия положительного заряда. После этого конструкция собирается. Все, можно запускать. Через пару минут следует поднести банку-сферу к струйке воды, и она под действием магнитного поля слега отклонится. Что и требовалось доказать.

В различных областях науки и техники используются ускорители заряженных частиц — электронов, протонов, ионов. Такие ускорители могут быть построены на различных принципах. В том числе, на электростатическом принципе. Одним из типов генераторов, построенных на таком принципе, является генератор Ван де Граафа. В этом приборе, который был изобретен в 1929 году профессором Массачусетского университета Ван де Граафом, использовался принцип создания поля сверхвысокого напряжения путем электризации ленты из диэлектрика, которая передвигается с помощью двигателя.

Конструкция и принцип действия

Конструкция генератора бывает вертикальной и горизонтальной. Наиболее распространенной является установка с вертикальным расположением.
В состав такого генератора входят:

• бесконечная диэлектрическая резиновая или шелковая лента, двигающаяся со скоростью 20-40 м/c на 2-х вращающихся шкивах;
• 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика, например, акрилового стекла;
• полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив. Этот электрод укреплен на изоляторе;
• источник высокого напряжения.

Нижний шкив заземлен. На электрод, находящийся вблизи этого шкива, подается высокое напряжение. На небольшом расстоянии от верхнего и нижнего шкивов установлены электроды, выполненные в виде щетки или гребенки. Верхний электрод соединен с полой полусферой.

Принцип работы прибора

Под воздействием высокого напряжения в воздушном слое, находящимся между нижним щеточным электродом и нижним шкивом, образуются положительно заряженные ионы. Эти ионы притягиваются к металлическому шкиву, оседают на диэлектрической ленте и транспортируются к полому полусферическому электроду. С помощью верхнего щеточного электрода эти ионы снимаются с ленты и попадают на поверхность сферического электрода. С течением времени происходит накапливание заряда и повышение потенциала этого электрода относительно земли.

Максимальная величина получаемого напряжения определяется напряжением разряда, возникающего вокруг сферического электрода в результате ионизации окружающего электрод воздуха. При увеличении диаметра сферы это напряжение возрастает.

Для его увеличения в установках с относительно небольшой сферой прибор помещают в герметический корпус, который наполняется под давлением в 20 атмосфер газами с большой электрической прочностью. К таким газам относятся азот, фреон и другие газы. Такой корпус, выполненный из изоляционных материалов, служит также для обеспечения безопасности людей.

Тандемный генератор

Тандемный генератор состоит из 2-х каскадов. В таком генераторе создаются отрицательные ионы, которые летят в сторону находящегося под высоким положительным потенциалом электрода, находящегося в середине заполненного газом сосуда. Проходя через находящийся внутри электрода канал, отрицательные ионы, имеющие энергию в 10 МэВ, отдают свои электроны и превращаются в положительные ионы. Далее пучок этих положительных электронов перемещается в сторону электрода, имеющего нулевой потенциал. Таким образом, можно получить пучок протонов с удвоенной энергией.

Использование

Генераторы Ван де Граафа часто применяются в исследованиях атома и в медицине.

В первом случае они используются для проведения ядерных реакций и для ввода частиц в ускорители. Такие установки есть в большинстве ядерных лабораторий, в которых исследователи имеют дело с частицами малых и средних энергий.
В таких ускорителях под воздействием создаваемого генератором напряжения происходит формирование и ускорение пучков частиц.

Во втором случае генераторы применяются для лучевой терапии и исследований. При этом пучки частиц ударяются в мишень и создают жесткое излучение.

Кроме того, такие генераторы могут быть использованы в качестве учебных пособий для демонстрации явлений электростатики, а также для исследования грозовых разрядов и ударов молнии.

Технические характеристики

1-й генератор данного типа вырабатывал напряжение в 80 кВ. В дальнейшем изобретатель получил напряжения в 1 МВ и 7МВ. При этом напряжение первичного источника было 50 кВ.

Современные установки позволяют получить с помощью этого генератора напряжения в 20 миллионов вольт. Для этого используются тандемные установки. При этом ток в пучках может достичь нескольких мА, а энергия частиц – 40-50 МэВ.

Для получения частиц с большей энергией используются более мощные установки – циклотроны, коллайдеры.

Наиболее мощный генератор Ван де Граафа был использован в английской лаборатории Daresbury, в которой с 1983 по 1993 годы проводились ядерные эксперименты. В установке был использован тандемный генератор, развивающий напряжение в 20 МВ. Этот генератор располагался в здании высотой в 70 м. Важнейшим открытием, выполненным с помощью этой установки, было открытие супердеформированных ядер.

До войны в Советском Союзе был также построен большой генератор такого типа. На 2-х фарфоровых изоляторах были установлены металлические шары диаметром в 5 м. Напряжение между шарами достигало 15 МВ. При разряде появлялись молнии размеров в 15 м. При этом время заряда достигало 10 минут, а средняя мощность установки была менее 100 Вт.

Генераторы для опытов и образования

Генераторы Ван де Граафа могут быть использованы для проведения опытов в области физики и электростатики. При этом большое количество генераторов имеется в продаже. Также в Интернете приведено много разных схем и конструкций для самостоятельного изготовления генератора.

Примером такого устройства является генератор, производимый немецкой компанией 3B Scientific GmbH. Цена такого прибора 104076 руб.

Основные характеристики прибора:

• создаваемое напряжение около 100 кВ;
• ток короткого замыкания-15 мкА;
• питание двигателя от сети переменного тока;
• мощность потребления -13 ВА;
• размеры -240х120х620 мм;
• размеры шара – диаметр 90 мм, высота 420 мм;
• вес генератора -5,8 кг.

При работе с данным прибором необходимо выполнять ряд требований по технике безопасности:

1. Данный прибор может представлять опасность для близко стоящих к прибору людей, у которых вживлен кардиостимулятор.
2. Компьютерам и другим электронным приборам он может создавать ВЧ помехи.
3. Нельзя использовать прибор во влажных помещениях.
4. Нельзя прикасаться к цепям прибора.
5. Включать прибор можно только в сетевую розетку, имеющую заземление.
6. При замене предохранителя необходимо обязательно отключать прибор от сети.

Подготовка и включение прибора:

1. Перед включением генератора снять сферу, подняв ее вверх.
2. Очистить поверхность шкивов. При необходимости вымыть их и просушить феном.
3. Установить ленту в шкивы.
4. Поставить сферу на место.
5. Заземлить металлическую пластину и электрод.
6. Включить двигатель и выбрать необходимую скорость.
7. Для проверки заряда путем получения искры медленно передвигать ленту к металлической сфере.
8. В случае влажности просушить прибор феном.

Достоинства и недостатки

Достоинством генераторов Ван де Граафа состоят в том, что с их помощью можно получить пучки заряженных частиц, у которых имеются следующие качества:

• непрерывность;
• высокая интенсивность;
• отличная стабильность по энергии. Эта характеристика пучка достигает величины 0,01%;
• малая расходимость (менее тысячной доли радиана).

Недостатки генераторов:

• ограничения по величине получаемых напряжений и энергии частиц;
• повышенные требования к пробойному напряжению колонны и ленты;
• трудности измерения сверхвысоких напряжений;
• наличие вращающихся частей, уменьшающих надежность устройства.

Начало XX века поставило ученых перед необходимостью искать способы получения и накопления огромного количества электрической энергии, достаточной для запуска массивных машин и механизмов. История сохранила сведения о многочисленных исследованиях и научных разработках, одни из которых были откровенно неудачными, а другие, напротив, заставили говорить о себе с точки зрения научного и практического интереса. Среди последних – труды Роберта Ван де Граафа, создавшего электростатический генератор с уникальной конструкцией. Несколько миллионов вольт электрической энергии – более чем достаточно, тем более что речь идет о 30-х годах прошлого столетия, когда мир сотрясали громкие военные и революционные катаклизмы, сдерживающие развитие науки. Некоторое время изобретатель пожинал плоды своей славы, а его генератор нашел широкое применение в качестве линейного ускорителя. Но уже спустя непродолжительное время на смену громоздкому устройству пришли более компактные и мощные модели, отодвинув свой прототип на задний план истории и практической физики.

Позже изобретение Ван де Граафа было названо его именем и даже нашло свое скромное практическое применение – демонстрация опытов по ускорению частиц и накоплению электроэнергии. А заложенные изобретателем основы были использованы в качестве базы для усовершенствования ускорителей с целью их практического применения.

Принцип действия и особенности генератора Ван де Граафа

Основа генератора Ван де Граафа – две сферы, на которые подаются положительный и отрицательный заряды. Два вращающихся валика служат основой для диэлектрической ленты, соединенной в кольцо. Верхний валик изготовлен из диэлектрика, нижний – из заземленного металлического сплава. Возле валиков расположены электроды в виде щеток, один из которых замкнут на внутреннюю часть сферы, а другой подсоединен к источнику сравнительно высокого напряжения.

Принцип действия генератора Ван де Граафа понятен даже школьнику. Вращение ленты, натянутой на валики, запускает устройство в работу. Нижний электрод, получающий ток высокого напряжения, ионизирует воздух и создает положительные ионы, которые прилипают к движущейся ленте и накапливаются на ней. Действуя по принципу транспортера, лента доставляет положительно заряженные частицы в верхнюю часть устройства, где их снимает щеточный электрод. С его помощью накопленные положительные заряды перебрасываются на внутреннюю поверхность одной из сфер, где происходит их дальнейшее накопление.

Одновременно на другой сфере накапливаются отрицательно заряженные частицы. Как только количество положительных и отрицательных зарядов достигает критического уровня, возникает электрический разряд. Его величина напрямую зависит от длительности работы и геометрических параметров устройства. Так, лично Ван де Грааф сумел получить от своего изобретения около 7 млн вольт энергии, построив достаточно внушительное по размерам устройство, впечатлившее современников изобретателя. Модели, которые сегодня украшают школьные лаборатории, дают несколько сотен вольт. Этого вполне достаточно для демонстрации достоинств изобретения, научившегося собирать и накапливать заряженные частицы из окружающей среды.

Генератор Ван де Граафа своими руками: необходимые материалы и последовательность сборки

Для сборки генератора Ван де Граафа своими руками потребуются следующие материалы:

• Обычный карандаш;
• Старая паста;
• Отрезок трубы ПВХ;
• Перегоревшая лампочка;
• Длинный отрезок резинки;
• Алюминиевая фольга и скотч;
• Батарея на 9 вольт;
• Деревянная дощечка небольшого размера в качестве основы.

Чтобы собрать генератор Ван де Граафа, необходимо соединить все перечисленные материалы и приспособления следующим образом:

• В деревянной доске делается отверстие под ПВХ трубку. Для точного выполнения отверстия стоит использовать дрель с перьевым сверлом подходящего размера.
• Через трубку делается два сквозных отверстия. Они необходимы для размещения и натягивания резинки. Расстояние между отверстиями должно быть таким, чтобы резинка находилась в натянутом состоянии, но не затормаживала работу генератора своим затрудненным вращением.
• В трубке дополнительно делается два отверстия: первое – чуть выше предыдущего на той же оси, второе – в перпендикулярном направлении по отношению к нижнему.
• Из старой застывшей пасты вырезается кусок, подходящий под диаметр трубки ПВХ и выступающий из нее не более чем на 1 см. Первый валик готов.
• Аналогичным образом изготавливается второй валик.
• Собирается диэлектрическая пленка. Ее можно сделать из скотча и резинки: обклеить резинку липкой лентой или просто наложить ее сверху, чтобы прижать к роликам.
• Конструкция миникопии электростатического генератора Ван де Граафа готова к сборке. Для надежности крепления отдельных деталей допускается использовать суперклей.
• Остается добавить щетки для сбора заряженных частиц и их перенаправления внутрь сферы. Нижняя щетка проходит через отверстие в нижней части устройства, верхняя зафиксирована выше. Обе щетки должны находиться близко к резинке, собирающей и транспортирующей заряд, но не касаться ее.
• Старая неработающая лампочка обклеивается алюминиевой фольгой. К металлической поверхности получившейся сферы подключается верхний провод, после чего лампа в фольге фиксируется в верхней части конструкции.

Устройство готово к тестированию и эксплуатации в качестве накопителя статического электричества. Рекомендуется испытывать и демонстрировать его, стоя на резиновом коврике, чтобы избежать поражения током.

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.

Как действует генератор Ван де Граафа

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:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/generator-van-de-graafa/

Генератор Ван де Граафа своими руками

Главная › Своими руками › Домашняя лаборатория › Генератор Ван де Граафа своими руками

Домашняя лаборатория Своими руками 03.05.2014 20412

Генератор Ван де Граафа способен выдавать электростатические потенциалы в сотни тысяч вольт. Такие установки имеются во многих лабораториях и политехнических музеях, где их используют в самых различных опытах, связанных с электричеством.

Правда, там используются генераторы высотой в два человеческих роста. Мы же попробуем построить компактную настольную установку. 

Назван генератор по имени голландского физика Р. Дж. Ван де Граафа, который в 1931 году сконструировал его для своих опытов по электростатике. С той поры установки, сыплющие искрами, можно найти даже в школьном кабинете физики, и называются они иногда электрофорными машинами. Мы же с вами попробуем сделать своими руками примерно такой генератор, как его задумывал сам Ван де Грааф.

Для конструкции генератора Ван де Граафа потребуется:

• пустая металлическая банка из-под газировки;
• небольшой гвоздик;
• кольцевая резинка шириной примерно 0,5 см и диаметром 8 — 10 см;
• стеклянный электрический предохранитель размерами 5×20 мм;
• электродвигатель постоянного тока (например, от игрушки);
• зажим «крокодильчик»;
• держатель батареи;
• чашка из пенополистирола или бумажный стаканчик;
• клеящий термопистолет или тюбик клея для пластика;
• два отрезка медного электрического провода;
• два отрезка 3/4-дюймовой сантехнической трубы из ПВХ;
• 3/4-дюймовая муфта из ПВХ;
• Т-образный 3/4-дюймовый сантехнический тройник из ПВХ;
• изолента и деревянная подставка.

Может показаться, что установка сложна, но если вы посмотрите на иллюстрации, то увидите, что смонтировать ее можно всего за один вечер. Главное — припасти все необходимые детали.

Монтаж генератора

Монтаж начните с деревянного основания. К нему приклейте 5 — 7-сантиметровый отрезок пластиковой трубы диаметром 3/4 дюйма. На этом фундаменте и будет монтироваться ваш генератор с тем расчетом, чтобы в случае надобности его можно было легко снять, если, например, надо заменить в нем резиновую ленту или внести изменения в конструкцию.

В одно из колен сантехнического тройника вставляется электродвигатель. Поскольку моторчик, как правило, небольшого диаметра, то его надо обернуть бумагой или изолентой, чтобы корпус входил в трубу с некоторым усилием. На вал двигателя натяните кусочек пластиковой трубки соответствующего диаметра.

Далее, просверлите небольшое отверстие в боковой части Т-образной трубки. Через него введите внутрь конец многожильного провода, «разлохмаченного» в виде кисточки или щетки таким образом, чтобы, расположив его вблизи резиновой ленты, можно было снимать с нее электростатический заряд.

Закрепить провод на месте можно с помощью скотча или изоленты. Кольцевую резинку накиньте внизу на шкив, а оставшуюся часть вытащите наверх, как показано на иллюстрации.

Далее, отрежьте от 3/4-дюймовой сантехнической трубы цилиндр 5 — 7-сантиметровой длины. Его надо будет закрепить в верхней части Т-образного разъема, как показано на рисунке. Протяните резинку до самого верха и закрепите положение гвоздиком.

При этом надо иметь в виду, что длина трубы должна быть такой, чтобы резинка не была растянута слишком сильно. Иначе из-за повышенного трения двигатель будет работать с излишней нагрузкой.

Отрежьте от пенополистироловой чашки нижнюю часть высотой 1,5 — 2 см, переверните ее вверх дном и вырежьте в дне отверстие с таким расчетом, чтобы оно плотно садилось на 3/4-дюймовую трубу.

Теперь просверлите три отверстия в верхней части муфты.

Два из этих отверстий должны быть диаметрально противоположны друг другу, так чтобы через них прошел небольшой гвоздь, который будет выступать в качестве мостика для резинки.

Третье отверстие расположено между двумя другими с таким расчетом, чтобы продетая в него проволочная кисточка-щетка, как и нижняя щетка, почти касалась резинки в натянутом состоянии.

Щетка вставляется в муфту, а сама муфта надевается на 3/4-дюймовую трубу, выше «воротника» из чашки. Резинка заправляется в муфту и удерживается на месте гвоздиком, как и раньше. Кстати, отдельные проводки «кисточки» надо скрутить почти по всей длине между собой, чтобы отдельные проводки не распались.

Теперь осталось поставить на место стеклянную трубочку. Проще всего взять ее от электрического предохранителя, какие используются в радиоприборах. Аккуратно нагрейте паяльником металлический колпачок на одном из концов предохранителя и снимите его плоскогубцами с трубки. Так же поступите с другим колпачком.

Затем вытащите конец гвоздика из одного отверстия в муфте и наденьте на него стеклянную трубку с таким расчетом, чтобы резинка оказалась на трубке. Снова введите гвоздь во второе отверстие.

Приклейте пенополистироловый «воротник» к трубе. Лучше всего сделать это с помощью термопистолета, так как клей при этом быстро застывает и не растворяет пластмассу.

Но, в принципе, то же самое можно сделать и при помощи иного подходящего клея для пластика.

Теперь вы готовы к установке алюминиевой банки. Она хороша для высокого напряжения потому, что имеет закругленные края, что минимизирует «коронный разряд».

Остается лишь острым ножом аккуратно вырезать верхнюю крышку, загладить обрезанные края, например, с помощью отвертки и, перевернув банку вверх дном, насадить ее на полистироловый воротник, пропустив внутрь свободный конец верхней проволочной «кисточки»-щетки.

Последний шаг — подключение двигателя к батарейке с помощью проводов. При этом вольтаж питания должен соответствовать тому, на которое рассчитан взятый вами электромотор.

Если кисточки-щетки в верхней и нижней частях банки установлены правильно — очень близко к резинке, но не касаются ее, вы должны почувствовать легкий электрический укол, как только поднесете палец близко к алюминиевой банке.

Запуск и настройка генератора Ван де Граафа

Если вы не обнаружили признаков высокого электростатического напряжения при работающем двигателе (нет искр, банка не притягивает к себе бумажных полосок), то вам придется заняться наладкой генератора.

Для начала попробуйте другой тип резинки. Некоторые виды резины имеют некую проводимость, а потому и не могут дать высокого потенциала.

Убедитесь, что все детали установки чисты. Грязь и жир тоже могут сделать вашу установку неработающей.

Проверьте: надежно ли верхняя щетка контактирует с металлом банки. Некоторые банки имеют внутри пластиковое покрытие. Тогда лучше взять другую банку.

Проверьте, нет ли острых концов, выходящих за пределы установки. Они могут стать источником коронного разряда, и напряжение накапливаться не будет.

Убедитесь, что щетки не касаются самой резиновой ленты. Между ними должен быть некоторый зазор.

• Схема генератора Ван де Граафа: 1 — вал электромотора; 2 — стеклянная трубка; 3 — гвоздик; 4 — проволочная щетка; 5 — сфера; 6 — резинка; 7 — проволочная щетка.
• Проверьте правильность всего монтажа, сравнив то, что сделано нами, с принципиальной схемой установки.

После того как генератор налажен, посоветуйтесь с учителем физики, какие интересные опыты можно поставить с помощью сделанного вами генератора. Например, если навесить на алюминиевую банку при выключенном генераторе гроздь бумажных полосок, то по мере увеличения напряжения они образуют некий экзотический «букет».

1. А можно с помощью генератора Ван де Граафа попробовать получать электреты — вечные источники электрического напряжения, которые используются, например, в микроскопах.
2. Источник: Юный техник — Публикацию подготовил С.Серегин

Источник: http://makezilla.ru/generator-van-de-graafa/

Как сделать генератор Ван де Граафа своими руками?

Первый ускоритель частиц носит имя американского физика Ван де Граафа. Как работает этот генератор и можно ли сделать его самому, в нашем материале.

Знаменитый американский физик Роберт Ван де Грааф жил в те времена, когда эпоха электричества в науке начала постепенно перетекать в ядерную. В его честь назван генератор, который был создан ученым в 1929 году.

Это устройство выполняло роль своеобразного ускорителя частиц и использовалось при проведении первых исследований в области ядерной физики.

Лишь два года потребовалось усовершенствовании установки Ван де Граафа, после чего она смогла генерировать разряды, мощность которых достигала 7 млн вольт.  

Принцип функционирования генератора

По сути, рассматриваемое устройство представляет собой первый линейный ускоритель частиц. Однако, воспроизвести в домашних условиях действующую модель генератора Ван де Граафа сможет любой человек, обладающий некоторыми знаниями в электротехнике.

В конструкции устройства имеется пара сфер, на которые направляются отрицательные и положительные заряды. Диэлектрическая закольцованная лента охватывает пару вращающихся валиков, рядом с каждым из которых установлен электрод в виде щетки. При этом один электрод системы замыкается на внутреннюю поверхность, а второй подключается к источнику напряжения.

Функционирование генератора начинается при вращении ленты, натянутой между валиками, один из которых выполнен из металла и имеет заземление, а второй сформирован из диэлектрического материала.

Кроме того, один электрод подсоединен к сфере, а второй, подключенный к питанию, участвует в процессе ионизации воздуха, вырабатывая тем самым положительные ионы, которые как бы «прилипают» к вращающейся ленте.

Один из самых знаменитых опытов, который связан с этим генератором и о котором многие слышали, можно назвать «волосы дыбом». Чтобы он получился, человек должен встать на резиновый коврик или деревянную поверхность, а после прикоснуться к функционирующему генератору. Эффект будет такой, что не заметить его просто не смогут.

Как самому сделать генератор Ван де Граафа?

Создать такой генератор в домашних условиях достаточно просто. В сети интернет можно найти большое количество видеороликов, в которых люди воссоздают систему Ван де Граафа буквально из подручных средств, причем зачастую из разных.

Что касается простоты исполнения, то можно рассмотреть вариант, в котором система строится на основе куска трубы ПВХ. Внутри этой трубы на осях устанавливаются валики, соединенные между собой лентой. Установить их можно, проделав в верхней и нижней частях трубы параллельные отверстия для крепления.

Под углом в 90° по отношению к нижней оси нужно сделать еще одно отверстие, которое предназначено для щетки. Чтоб получить нечто, заменяющее сферу, можно использовать банку из-под газированной воды.

На поверхности банки, которая повернута внутрь основания из ПВХ устанавливается щетка, используемая для улавливания положительных зарядов.

Остается только подключить источник питания и можно приступать к проверке функционирования самодельного генератора Ван де Граафа.

Один из вариантов такой системы в действии можно увидеть на видео ниже.

Источник: https://progress.online/nauka/1239-kak-sdelat-generator-van-de-graafa-svoimi-rukami

Самодельный генератор Ван де Графа

Этот генератор способен выдавать высокое напряжение. В основе его принцип электризации. Последняя осуществляется за счет движения диэлектрической ленты.

Свое название генератор получил по имени американского физика, который первым создал его в 1929 году. Его детище позволяло достигать напряжения 80 кВ. Современные аналоги способны выдавать 7 миллионов вольт.

Если сделать такой генератор самостоятельно, то появится возможность демонстрации разных эффектов, связанных с высоким напряжением.

Для реализации устройства нужен: карандаш; отрезок ПВХ-трубы; длинная кольцевая резинка; фольга из алюминия.

Необходимо запастись также: двумя высохшими пастами; сгоревшей лампочкой; скрепкой; скотчем; 9-вольтовой батареей; проводами; небольшим игрушечным электродвигателем.

Все монтируют на основании из небольшой деревянной дощечки. Вблизи одного из ее концов сверлят глухое отверстие по диаметру ПВХ-трубы. Используют дрель и перьевое сверло. Отрезок трубы затем размещают вертикально в сделанном отверстии.

Устраивают сквозные отверстия через обе стороны в трубке. Первое на высоте примерно 1 см от поверхности основания, второе – на удалении от первого, обеспечивающем небольшое натяжение резинового кольца, когда его разместят на осях, вставленных в оба отверстия. Посадка резинки не должна быть тугой, иначе двигатель «не потянет» ее.

После делают еще два отверстия. Первое перпендикулярно нижнему, второе – на небольшом удалении вверх от верхнего.

Из паст удаляют чернила. Можно пользоваться лентой галстуком, другим способом. Отрезают два куска чуть меньше внутреннего диаметра ПВХ-трубки. Разгибают скрепку, отрезают кусочки длиной больше внешнего диаметра трубки на сантиметр.

Используя скотч и резинку, создают диэлектрическую пленку. Резинку обклеивают скотчем, склеивая клеящие стороны между собой. Одевают резиновое кольцо на оси, устроенные внизу и вверху ПВХ-трубы из скрепок и нанизанных на них трубок от паст.

Снимают с карандаша ластик, соединяют им вал двигателя и конец отрезка скрепки в нижнем отверстии. Надежность соединений обеспечивают дополнительно склеиванием.

Далее занимаются устройством щеток, которые будут снимать заряд. Их делают из многожильных проводников, которые пропускают концами в поперечное нижнее отверстие и самое удаленное верхнее. Концы проводов размочаливают.

Колбу электролампочки обклеивают фольгой из алюминия. Подсоединяют к ней верхний проводник и устанавливают на вершине ПВХ-трубы.

При запуске электродвигателя начинает перемещаться резинка. Она переносит заряд к верхней щетке, которая передает его на фольгу, на колбе лампочки. Если к ней поднести палец, то можно почувствовать легкий «укол» электричества.

Источник: https://izdoski.com/samodelnyj-generator-van-de-grafa.html

Самодельный генератор Ван де Граафа на 100000 вольт

Автор канала физики «Atom Duba» собрал самодельный мощный генератор Ван де Граафа, позволяющий получать высокие напряжения до 100 000 вольт.

Это генератор высокого напряжения, механизм работы его базируется на электризации движущейся диэлектрической ленты. Впервые был создан в 1929 г. в США физиком Робертом Ван де Граафом и давал разность потенциалов до 80 Квольт. В 1931 он же разработал устройства, вырабатывающее 1 млн, а два года спустя – 7 млн вольт.

Известно, что при трении разных материалов друг об друга можно получить электрический заряд, который притягивать всякие мелкие бумажки, пыль и даже отклонять струю воды. Например, используем канализационную ПВХ-трубу и носок, работает не хуже знаменитой эбонитовой палочки.

Любое вещество состоит из положительно заряженных ядер атомов и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг них. Обычно в веществе положительного и отрицательного заряда поровну, поэтому суммарный равен нулю, такое тело не заряжено. Но когда носок касается трубы, то электроны переходят с носка на нее, потому что электроны лучше притягиваются к её молекулам.

Мастера покупают изобретения в лучшем китайском интернет-магазине.

Электроника для самодельщиков в китайском магазине.

Почему лента всегда только приносит заряд на шар, и никогда его оттуда не уносит? Чтобы ответить на вопрос, нужно разобраться в одном важном свойстве проводников, ведь шар в отличие от ленты специально сделан из металла, хорошо проводящего материала. Объяснение для обывателя, прошаренные чуваки сами прочитают про теорему Гаусса и экранировку.

Предположим, есть кусок металла, и внутрь него каким-то образом попал заряд, пусть это кучка отрицательных электронов, однако, если это металл, то не пройдет и доли секунды, как там уже не будет, потому что это кучка электронов, они все друг от друга отталкиваются.

Быстро весь избыточный заряд окажется размазанным по внешней стенке металла очень-очень тонким слоем, т.е. всегда скапливается на внешней поверхности проводников. Поэтому лента и не может взять заряд с шара, внутри его просто нет. Это и есть основной принцип работы генератора изобретателя Ван де Граафа.

Вся фишка в том, что подносим ленту изнутри шара, а не снаружи.

Шар сделали из двух салатниц, купленных в Икея. Внутри втулка из велосипеда, на которой держится, свободно вращаясь, лента.

Заряд с ленты на шар попадает либо через втулку, либо с помощью дополнительного провода, поднесенного максимально близко к ленте. В конце он разделен на множество мелких острых проводников.

Дело в том, что через воздух на острие намного лучше стекает заряд. Половник, в который бьет молния, заземлен через корпус самодельного генератора.

Источник: https://izobreteniya.net/samodelnyiy-generator-van-de-graafa/

Как сделать генератор Ван де Граафа своими руками

Американскому физику Роберту ван де Граафу довелось родиться и творить на стыке двух великих научных эпох – электричества и ядерной физики. Созданный им в 1929 году генератор, вошедший в историю под его именем, предназначался для первых физических ядерных исследований в качестве ускорителя частиц. Спустя всего два года, установка выдавала разряды мощностью до 7 млн. вольт.

Принцип действия генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — один из первых линейных ускорителей. Тем не менее воспроизвести его действующую модель по силам любому, кто хоть немного разбирается в электротехнике.

Генератор состоит из двух сфер, на которые подаются положительные и отрицательные заряды, диэлектрической закольцованной ленты, натянутой на 2 вращающихся валика (верхнего и нижнего), двух электродов в виде щеток, расположенных около валиков, причем верхний электрод замкнут на внутреннюю поверхность сферы, а нижний соединен с источником высокого напряжения.

Устройство начинает работать с вращением ленты, натянутой на валики. Верхний валик изготовлен из диэлектрического материала, а нижний – из металла с заземлением. Верхний электрод соединен с металлической сферой, а нижний, связанный с источником высокого напряжения, ионизирует окружающий воздух и создает положительные ионы, «прилипающие» к движущейся ленте.

Она, подобно транспортеру, «доставляет» положительные заряды «наверх», где с валика их снимает щеточный электрод, перебрасывая на внутреннюю поверхность сферы, где заряды накапливаются.

Одновременно на другой сфере происходит накопление отрицательных зарядов. Как только накопленный потенциал достигает критического уровня, происходит электрический разряд.

На заре ядерной эпохи генератор Ван де Граафа какое-то время использовался в качестве линейного ускорителя частиц. Но его активная научная «карьера» продолжалась недолго. Очень скоро появились ускорители нового поколения, несоизмеримые по мощности и возможностям со своим предшественником.

Однако в отличие от своих «ровесников», электротехнических устройств середины прошлого века, списанных в утиль, генератор Ван де Граафа ведет довольно активную жизнь. Из ведущих исследовательских центров он перебрался в школьные физклассы и институтские лаборатории, став, к примеру, незаменимым учебным пособием для моделирования природных разрядов в газовой среде.

Пожалуй, одним из самых известных опытов носит название «волосы дыбом». Для этого нужно встать на резиновый коврик или деревянную доску и прикоснуться к включенному генератору Ван де Граафа. Обладателей пышной шевелюры ждет сюрприз, достойный снимка с последующим размещением в Instagram.

Генератор Ван де Граафа своими руками

В нем воплощен известный тезис: «Все гениальное просто».

В YouTube и на интернет-сайтах можно встретить десятки вариантов действующих генераторов Ван де Граафа, изготовленных руками умельцев из абсолютно доступных подручных материалов – карандашей, обрезков водопроводных труб ПВХ, резинок, канцелярских скрепок, батареек, электродвигателей от игрушек, скотча, проводов и т. д. Данный перечень ограничивается лишь фантазией и квалификацией изобретателей.

Наиболее доступным является вариант с обрезком трубы ПВХ, внутри которого на осях крепятся вращающиеся валики, соединенные между собой прочной лентой. Для установления осей необходимо с помощью разогретого паяльника вверху и внизу проделать параллельные отверстия.

Перпендикулярно к нижней оси проделывается еще одно отверстие для щетки. Нижний валик и щетка соединяется с электромотором. В качестве сферы можно задействовать использованную банку из-под газировки емкостью 0,33 л.

К стороне, обращенной внутрь трубы, прикрепляется щетка для снятия положительного заряда. После этого конструкция собирается. Все, можно запускать.

Через пару минут следует поднести банку-сферу к струйке воды, и она под действием магнитного поля слега отклонится. Что и требовалось доказать.

Источник: https://www.techcult.ru/sdelay-sam/4825-generator-van-de-graafa

Генератор Ван де Граафа своими руками. Описание и принцип работы :

На уроках физики, чтобы показать действие, совершаемое статическим электричеством, демонстрируют генератор Ван де Граафа. Необычное устройство, пуская в разные стороны миниатюрные молнии, приводит в восторг учеников. Но мало кто знает, что генератор также использовался для опытов в сфере ядерной физики.

История создания

Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-1967), работавший в Принстонском университете, вошел в историю как создатель электростатического ускорителя элементарных частиц.

Первое описание генератора Ван де Граафа было сделано в 1929 году, а через два года он создал высоковольтный ускоритель, который мог выдавать электрическое напряжение 1 МВ. В 1935 году усовершенствованная конструкция вырабатывала уже 7 мегавольт.

Генератор Ван де Граафа впоследствии стал основой для современной разновидности линейного ускорителя, названного пеллетроном. Разница между ними заключалась в способе передачи заряженных частиц. Если у генератора они передавались при помощи диэлектрической ленты, то у пеллетрона — металлической цепью.

Принцип действия

Конструкция генератора позволяет делать его как в горизонтальном исполнении, так и в вертикальном.

Основной его частью является большая металлическая сфера, на поверхности которой происходит накопление заряженных частиц.

Внутри корпуса из изолированного материала находятся два ролика, соединенных между собой диэлектрической лентой. Изначально она была выполнена из шелка и резины, а впоследствии заменена цепью.

Нижний ролик имеет заземление и соединение с малой сферой, также у него есть привод для вращения. Верхний ролик через металлическую щетку соединен с большой сферой.

По мере вращения нижнего ролика происходит ионизация воздуха с последующим переносом заряженных частиц к верхнему ролику. Через металлическую щетку поток ионов переносится на поверхность большой сферы, где накапливается в виде электростатического заряда.

Мощность генератора Ван де Граафа ограничена коронным разрядом, создающим светящуюся оболочку вокруг заряженного электрода.

Где применяется генератор

Изначально устройство применялось для разгона заряженных частиц, но со временем появились более совершенные ускорители, и необходимость в нем отпала. В настоящее время опыты с генератором Ван де Граафа ставятся в основном для моделирования процессов, происходящих во время грозовых разрядов.

В современных школах это устройство является стандартным оборудованием физических кабинетов. На территории бывшего СССР генератор не выпускался. В школах для опытов использовалась электрофорная машина Вимшурста, которая была впоследствии названа «Разряд».

Способность генератора издавать разряды используется в различных шоу-программах и цирковых трюках. Он может создавать поле, удерживающее в воздухе небольшие предметы, а мощный заряд позволяет работать электрическим приборам вдали от источника электричества.

Меры предосторожности

Как любое устройство, создающее высокое напряжение, генератора Ван де Граафа требует мер предосторожности при работе с ним.

Разряду неважно, где возникать: между разнополярными электродами или между заряженным электродом и телом человека. Достаточно существенной разницы в потенциалах.

Поэтому при работе с генератором человек должен находиться на резиновом коврике, чтобы его потенциал оставался нейтральным по отношению к накопленному заряду.

Если человек будет находиться на полу, тем более на влажном, то он станет отличным проводником для передачи заряженных частиц земле, и через его тело пройдет разряд величиной в несколько тысяч, а может, и миллионов вольт. Единственное, что может позволить человеку остаться в живых — это малая сила тока.

Люди, имеющие кардиостимуляторы, не должны приближаться к генератору. Электронные приспособления, такие как часы, сотовые телефоны, могут давать сбой в работе. Поэтому перед началом экспериментов нужно оставить их в стороне.

Перед началом работы

Элементы генератора, такие как ленты, шкивы, сфера, притягивают к себе пыль, как магнит. Перед началом работы нужно очистить механизмы. Для этого нужно снять большую сферу и влажной тряпочкой протереть детали устройства. Если накопленный заряд не позволяет избавиться от пыли, то можно применить спрей-антистатик для волос.

Самое важное, что нужно сделать до начала вращения генератора — это убедиться в заземлении малого электрода. Иначе разряд будет бить в объект, обладающий большей массой, то есть в человека.

Из чего собрать генератор в домашних условиях

Теперь, когда принцип действия генератора Ван де Граафа известен, можно самостоятельно собрать действующую модель для домашних экспериментов.

После небольших испытаний выяснилось, что для получения заряженных частиц лучше всего подходит труба ПВХ для водопровода.

Если ее потереть синтетическим материалом, то появившийся в ней заряд позволят притягивать мелкие бумажки, отклонять струю воды, падающей вниз. Поэтому ПВХ-труба станет источником заряженных частиц.

А что будет переносить электроны на сферу генератора? Опыты показали, что лучше всего подходит медицинский бинт Мартенса. Он состоит из полиэстера, латекса и хлопчатобумажной ткани.

Теперь, когда определились с основными рабочими частями, составляется полный список необходимых материалов:

1. Большая металлическая сфера. Она изготавливается из двух крупных салатниц, продающихся в ближайшем гипермаркете.
2. Труба ПВХ. Потребуется 2 отрезка разного диаметра. Первый станет корпусом генератора, а второй нужно подобрать таким образом, чтобы он плотно надевался на шкив, соединенный с приводом.
3. Верхний шкив. Можно использовать любой подходящий предмет, на котором бы держалась лента, не соскакивая. Например, старую втулку от велосипедного колеса или большую пластиковую катушку с бортами.
4. Отрезок медного многожильного провода. Из него будут изготовлены щетки, снимающие и передающие заряд.
5. Маломощный электродвигатель. Потребуется для вращения нижнего шкива. Однако если есть желание, то привод можно сделать ручной.
6. Металлические планки для опоры генератора, а также для фиксации шкивов на ПВХ трубе.
7. Металлический половник. Будет выступать в роли малого электрода.

Сборка генератора Ван де Граафа своими руками

Когда все материалы подготовлены, можно приступить к изготовлению:

1. Из металлических планок сделать прямоугольную основу для генератора. Ее нужно выполнить в форме квадрата. Размеры должны обеспечивать устойчивость конструкции. Также нужно предусмотреть крепление под электродвигатель.
2. Закрепить на валу электродвигателя нижний шкив. Рабочая поверхность его должна быть закрыта куском ПВХ трубы, который отрезается по ширине бинта Мартенса.
3. Закрепить на платформе электродвигатель таким образом, чтобы шкив находился по ее центру.
4. Над шкивом прикрепить в вертикальном положении трубу ПВХ диаметром 150 мм. По длине она должна быть 50-60 см. Чтобы было легко снимать и надевать ленту, на трубе нужно сделать осевой вырез шириной 4-5 см.
5. На верхнюю часть вертикальной трубы нужно установить второй шкив. Делается это с помощью крепежных скоб.
6. Изготовить из салатниц сферу. Для этого на одной из них вырезать в нижней части отверстие точно по диаметру трубы. К этой же салатнице по периметру нужно припаять несколько скоб, которые будут удерживать вторую половину.
7. Сделать щетку из многожильного провода. Для этого снять изоляцию на отрезке 2-3 см и развести пучок на отдельные провода. Щетку одним концом нужно закрепить так, чтобы она касалась верхнего шкива, а другой конец нужно припаять к сфере.
8. Чтобы из половника сделать электрод, нужно соединить рукоятку с металлической основой генератора и выполнить заземление. Ручку надо изолировать. Для этого подойдет та же ПВХ труба небольшого диаметра.

Прототипы генератора Ван де Граафа на фото столетней давности мало отличаются от устройства, сделанного своими руками. Теперь, когда прибор полностью готов, можно приступать к опытам.

Источник: https://www.syl.ru/article/467939/generator-van-de-graafa-svoimi-rukami-opisanie-i-printsip-rabotyi