Электростатические игрушки и генератор Ван де Граафа. Научные игрушки. Генератор Ван де Граафа: устройство, принцип действия и применение Самодельный генератор ван дер граафа

Начнем с простого и дойдем до классики!
А не хотите ли Вы взять обычный тонкий полиэтиленовый пакет, обвязать его по середине ниткой и обрезать полиэтилен с двух сторон от нитки, соорудив бантик, привязанный к длинной ниточке.
Берем в руки школьную пластиковую линейку, трем ее о шерстяной шарф и подносим к бантику.
Теперь любуемся полетом бантика и стараемся как можно дольше удерживать его в воздухе.

Это самый простой опыт по электризации трением, он вызывает восторг зрителей, желание попробовать сделать тоже самое самому.
Ну, и пожалуйста, кто был бы против!

А теперь возьмем в руки то, что продается в магазине!
Просто-напросто берем волшебную палочку, поднимаем вверх вырезную фигурки из фольги и, как заправский фокусник, заставляем фигурку парит в воздухе над палочкой.
Ну это, скажу я вам, не бантик!

Фигурка распрямляется, становится объемной и вот она, полностью в вашей власти, выделывает в воздухе замысловатые кульбиты.

Где же скрыт секрет?
Чем «волшебна» эта волшебная палочка, и, как говорят малые дети, что там внутри?

Вспомните ваше первое знакомство с генератором статического электричества - это ваша кошка!
Погладь и «наслаждайся» затем дергающими нервы электрическими прикосновениями …. Пробовали?

Другой известный со школы генератор статического электричества - это электрофорная машина.

И вот еще одно воплощение устройства для накопления электрических зарядов: в волшебной палочке находится миниатюрный электростатический генератор Ван де Граафа.

Генератор в волшебной палочке работает на батарейках, которые также расположены внутри палочки. При нажатии на кнопку, генератор начинает создавать на конце волшебной палочки электростатический заряд. Когда конец палочки дотрагивается до фигурки из фольги, она приобретает часть электростатического заряда палочки. Палочка и фигурка получают одноименные заряды, а такие заряды должны отталкиваться. Фигурка и палочка теперь будут отталкиваться друг от друга.
Фигурка из фольги становится объемной потому, что все её части имеют заряды одного знака. Получается эффект, словно мы из вырезанной бумажной фигурки надуваем воздушный шарик.
Через некоторое время, заряд на фигурке и палочке ослабевает, и нужно снова нажать на кнопку на палочке, чтобы накопить новый заряд статического электричества.

А настоящий большой генератор Ван де Граафа был создан американским физиком Робертом Ван де Граафом для серьезных научных исследований элементарных частиц в области атомной физики.

Большой мощный генератор Ван де Граафа был построен и установлен на рельсы в ангаре для дирижаблей.
Генератор состоял из двух столбов, на каждом из которых сверху были установлены полые алюминиевые, надежно изолированные от земли сферы диаметром 15 футов (1 фут равен 0, 3 м) каждая.

Вертикально установленная в колонне диэлектрическая бумажная лента, склееная в кольцо, вращалась на роликах. Верхний ролик был выполнен из диэлектрика, а нижний из металла и соединён с землёй. Нижний конец ленты получал электрические заряды от источника тока, а верхний конец находился внутри металлической сферы. Щеточный электрод внутри сферы касался ленты, снимал электрический заряд и подавал его на проводящую сферу, где он равномерно распределялся по всей внешней поверхности сферы.

Такие генераторы использовались для создания высокой разности потенциалов в линейных ускорителях частиц, поэтому требовались две сферы, накапливающие разноименные заряды. Одна сфера заряжалась положительно, другая отрицательно, при достаточном накоплении зарядов между шарами происходил электрический разряд, который и исследовался физиками.

Суммарное напряжение между сферами достигало миллионов вольт. Внутри каждой сферы огромного генератора располагались научные исследовательские лаборатории

Первоначально такие генераторы использовались в линейных ускорителях. Диаметр купола достигал несколько метров, а создаваемая разность потенциалов несколько миллионов вольт.
В настоящее время генераторы Ван де Граафа применяются в основном для моделирования процессов, например, для имитации природных грозовых разрядов.

Теперь генератор Ван де Граафа можно увидеть и в школе, выпускается миниатюрный учебный демонстрационный генератор, предназначенный для проведения демонстрационных опытов по электростатике: электризации тел и показов искрового газового разряда в воздухе.

Здесь резиновая лента приводится в движение электродвигателем, она проходит между электрически заряженными пластинами. Возникшие на внешней стороне ленты заряды переносятся на сферу, создавая достаточно сильные электростатические поля (высокие напряжения) в окружающем пространстве, а заряды с внутренней стороны ленты противоположного знака отводятся через заземление.

Генератор Ван де Граафа - это генератор статического электричества, он дает очень высокие напряжения при очень малых токах в микроамперах. Благодаря этому, используя генератор Ван де Граафа, можно демонстрировать интересные опыты, например, электризацию человеческого тела, когда волосы «встают дыбом», и опыты в темноте, показывая электрические разряды в виде маленьких молний.

Если человек встанет на изолирующую подставку, и дотронется до заряженной сферы генератора Ван де Графа, то его телу сообщится большой электрический заряд, и все волосы, получившие одноименный заряд, будут отталкиваться друг от друга и встанут дыбом.

Но «не дай бог», если человек в таком состоянии коснется заземленной батареи отопления и ощутит на себе перераспределение зарядов!

Протонов и ионов высоких энергий. Ускорение частиц происходит за счет их взаимодействия с электростатическими или электромагнитными полями. В медицине ускорители заряженных частиц используют для лучевой терапии и в радиобиологических исследованиях. В зависимости от способа ускорения ускорители заряженных частиц делят на электростатические (например, генератор Ван-де-Граафа), линейные резонансные, индукционные (см. Бетатрон) и циклические (циклотрон).

В электростатическом генераторе Ван-де-Граафа высокое напряжение создается за счет накопления на поверхности полой проводящей сферы электрического заряда, который подается на нее от электрического генератора с помощью движущейся бесконечной ленты. Ускорение заряженных частиц происходит в вакуумной трубе.

Роберт Ванн де Грааф во время демонстрации своего генератора в 1922 г

Электростатический генератор (Ван-де-Граафа) - ускоритель заряженных частиц. Состоит из источника высокого напряжения (собственно электростатический генератор) и ускорительной трубки. Первая удачная конструкция подобной установки была предложена в 1929 г. Ван-де-Граафом (R. J. Van de Graaff). Принцип действия электростатического генератора заключается в следующем.

Электрические заряды от генератора наносятся на диэлектрическую движущуюся ленту.

С этой ленты заряды переносятся системой щеток на внутреннюю поверхность полой металлической изолированной сферы - кондуктора (рис.). Таким образом, на сферу может быть перенесен достаточно большой заряд, максимальная величина которого определяется возникновением разряда с нее во внешнее пространство. С увеличением размеров сферы напряжение повышается. В настоящее время для увеличения напряжения при минимальных размерах установки электростатический генератор помещают в бак с газом, имеющим высокую электрическую прочность (азот, фреон, углекислый газ), под давлением до 20 атм.

Электростатический генератор может быть использован для ускорения как электронов (см.), так и тяжелых частиц - протонов (см.). Предельная энергия ускоренных частиц достигает 10 Мэв. Электростатические генераторы нашли широкое применение в физике, технике и медицине. В медицине используются электростатические генераторы с электронным пучком (см. Электронное излучение) как источник жесткого тормозного излучения (см.), возникающего при попадании электронов высокой энергии на мишень из тяжелого элемента. См. также Ускорители заряженных частиц.

Электростатический генератор Ван-де-Граафа:
1 - высоковольтный электрод (кондуктор);
2 - ионный или электронный источник;
3 - многосекционная ускорительная трубка;
4 - изолирующая колонка;
5 - система дефокусировки электронного луча;
6 - тонкая алюминиевая фольга;
7 - конвейер;
8 и 10 - зарядные и съемные острия;
9 - двигающаяся «бесконечная» лента.

ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА

ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА , устройство, генерирующее высокое напряжение с помощью концентрации электрических зарядов на внешней стороне полого ПРОВОДНИКА. Построенный Джоном КОКРОФТОМ и Эрнестом УОЛТОНОМ УСКОРИТЕЛЬ Кокрофта-Уолтона вырабатывал высокое напряжение с помощью группы заряженных КОНДЕНСАТОРОВ, соединенных последовательно. Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-67) усовершенствовал эту конструкцию, распыляя положительные или отрицательные заряды по непрерывно движущейся ленте, которая переносила их в большую полую металлическую сферу, где накапливалось напряжение. Таким образом задействованное напряжение около 50 000 вольт вырастало до 1 млн. электрон-вольт. Сегодня генератор Ван де Граафа используется в основном для «впрыскивания» частиц в более мощные линейные ускорители. см. также ЛОУРЕНС .

С помощью генератора Ван де Граафа (В) можно получить очии, высокое напряжение. Еспи тою имеющее избыток положительных ионов, поместить внутрь резср вуара, на его внутренней стороне собираются электроны,а на внешней - такое же число поло жительно заряженных ионов (А) Если заряженное тело коснется внутренней стороны, все свобод ные электроны перетекут на него, сделав его нейтральным. Внешняя сторона резервуара при этом еще удерживает положительные ионы В генераторе Ван де Граафа поло жительные ионы распыляются от соответствующего источника (1) на бесконечную ленту, которая несет их внутрь металлической сферы. Лента соединяется с внутренней поверхностью стенки с помощью проводника в форме гребня(2) Это позволяет электронам стекать на ленту. Таким образом на внеш ней стороне сферы собираются положительные ионы (3) Эффект может быть усилен соединением двух генераторов, как показано на (С).

Научно-технический энциклопедический словарь .

Смотреть что такое "ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА" в других словарях:

Миниатюрный генератор Ван де Граафа … Википедия

генератор Ван-де-Граафа - Van de Grafo generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. belt type generator; Van de Graaff generator vok. Bandengenerator, m; Van de Graaff Generator, m rus. генератор Ван де Граафа, m; ленточный генератор, m pranc. accélérateur Van … Fizikos terminų žodynas

- … Википедия

- (см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. ВАН ДЕ ГРААФА ГЕНЕРАТОР … Физическая энциклопедия

ВАН ДЕ ГРААФА ГЕНЕРАТОР, см. в ст. Электростатический генератор (см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР) … Энциклопедический словарь

См. в ст. Электростатический генератор … Большой Энциклопедический словарь

Ван де Граафа ускоритель, см. Электростатический ускоритель … Большая советская энциклопедия

- [по имени амер. физика Р. Дж. Ван де Граафа (R. J. Van de Graaf; p. 1901)] электростатич. генератор пост. высокого напряжения до 20 MB и допустимой силой тока нагрузки до 1 мА. Используется в линейных ускорителях, а также в слаботочной… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Книги

Набор "Японские опыты. Статическое электричество" (ВВ 1164/196407) , Оказывается, электричество бывает разным. В одних случаях оно течет, а в других накапливается. И если о течении электричества по проводам мы узнаем, когда включаем электроприборы, то как… Категория:

Это инструкции о том, как я построил Генератор Ван де Графа своими руками из некому ненужного мусора. Вот он на рисунке:

Итак, первое, что нужно сделать, это собрать все необходимые компоненты. Они включают в себя: 1 карандаш, два старых высохших пасты, кусок трубу ПВХ, одна мертвая лампочка, длинный кусок резинки, скрепка, алюминиевая фольга, скотч, один маленький двигатель от игрушки, девятивольтовая батарея, и немного провода, ну и основание – деревянная дощечка. Все видно на фото:

Первым шагом на ваших действий станет сверления отверстия под трубку в основании основания. Нужно взять дрель с перьевым сверлом нужного диаметра, чтобы ПВХ трубка плотно входила.

Следующее, вы делаете два сквозных отверстия через обе стороны трубки. Расстояние между отверстиями такое, чтобы при вставке пасты и натягом между пастами резинки так чтоб резинка была слегка натянута. Убедитесь, что резинка сидит не слишком туго иначе она будет остановить двигатель.

Затем делаем еще два отверстия в трубке. Первое отверстие должны быть просверлено чуть выше первого на той же оси. Второе отверстие должно быть прямо перпендикулярно нижнему. Внимательно посмотрите на фото:

Теперь необходимо вытащить чернила из пасты. Я использовал ленту галстук, как те, которые приходят с мешки для мусора, чтобы очистить пасту. Что используете Вы думайте сами.

Далее вам вырезать кусок пасты по длине внутренний диаметр труб из ПВХ. Затем возьмите скрепку и вырежьте кусочек достаточной длины, так чтоб кусочек выступал из трубки как минимум на сантиметр. Смотрите фото:

Как Вы наверное догадались таких валика нам понадобится два. Перед сборкой необходимо собрать диэлектрическую пленку. Она делается из скотча и нашей резинки. Резинка обклеивается скотчем, чтоб клеящие стороны были слеины друг с другом. Можно и не обклеивать полоску скотча, а просто надеть с верху резинку для прижимку к нашим роликам.

Потом возьмем ластик от карандаша и соберём нашу конструкцию как показано на рисунке ниже. Для надежности соединения супер клеем вал мотора приклеивается к ластику и скрепке.

Следующим шагом будем добавить щетки, которые собирают заряд. Нижняя кисть, как показано на картинке слева проходит через отверстие в нижней части, конечик проволоки должен быть размохрён. Вы должны убедиться, что кисти близки к резинке, но не должны прикосаться к ней. Верхняя кисть, как показано на рисунке справа проходит через верхнее отверстие.

Следующий этап и финал - обклеиваем сгоревшую лампочку куском алюминиевой фольги. Ключевую роль в обеспечении алюминиевого проводини больше заряда для того чтобы собрать его как можно больше. Потом к этой фольге на лампе подключаем верхний провод и нашу лампу-электрод вставляем на верх всей конструкции. Ну, вот что вы теперь знаете, как построить самим генератор Ван де Графа.

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".

А можно с помощью генератора Ван де Граафа попробовать получать электреты - вечные источники электрического напряжения, которые используются, например, в микроскопах.