Das Van de Graaff Generator Es ist ein Artefakt, das dank elektrostatischer Phänomene funktioniert und dessen Funktion darin besteht, enorme elektrische Potentiale in der Größenordnung von Megaelektronvolt (MeV) zu reproduzieren, um subatomare Teilchen zu beschleunigen. Solche Potentiale konzentrieren sich in seinen oberen Teilen, wo charakteristische hohle Metallkugeln ruhen..
Es wurde 1929 vom amerikanischen Physiker Robert J. Van de Graaff erfunden und baute Modelle unterschiedlicher Größe und elektrischer Kapazität. Eine der größten, die 1933 gegründet wurde und im Bild unten zu sehen ist, kann ein elektrisches Potential von 5 MeV erreichen. fünfmal weniger als derzeit erreichbar (25,5 MeV).
Das Potential des Van de Graaff-Generators ist so hoch, dass in der Luft, die seine Metallkugeln umgibt, elektrische Entladungen auftreten. Diese Entladungen sind das Produkt des Ungleichgewichts der elektrischen Ladungen, da die Kugeln sehr negative oder sehr positive elektrische Ladungen aufnehmen; alles abhängig von den Materialien und Ihren Designs.
Dieses Gerät ist im Unterricht in Physik und Elektrizität sehr beliebt. Dies liegt daran, dass die Freiwilligen beim Berühren der Kugeln oder der Metallkuppeln der kleinen Generatoren ein unwillkürliches Anheben ihrer Haare erfahren, was an einen Stromschlag erinnert..
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Im Bild oben haben wir die herkömmlichen Teile für einen Van de Graaff-Generator. Es hat einen vertikalen Rahmen, der von einer Hohlkugel oder einer Metallkuppel (1) gekrönt wird. Im Inneren haben wir ein Band oder einen Gürtel (4 und 5) aus polymerem und isolierendem Material, wie z. B. den Operationsschlauch.
Dieser Riemen bewegt sich ständig zwischen zwei Rollen: einer oberen (3) und einer unteren (6). Ebenso hat jede Walze eine Metallbürste (2 und 7) angebracht, die die Oberfläche des Riemens reibt. Die Riemenbewegung wird durch einen Elektromotor aktiviert, der an die Basis des Generators angeschlossen ist.
Wie im Bild zu sehen ist, ist die Kugel des Generators positiv geladen (+). Daher benötigt es Elektronen, um das elektrische Ungleichgewicht zu versorgen. Hier laden die Elektronen (-), die den Generator verlassen, eine nahegelegene metallische Vorrichtung (8) negativ auf; um schließlich eine elektrische Entladung (9) in Richtung der Metallkuppel zu erzeugen.
Der elektrische Schlag kann entweder in Richtung der Kuppel oder in Richtung des Geräts auftreten. Letzteres tritt auf, wenn die Kuppel negativ geladen ist.
Der Van de Graaff-Generator kann positiv oder negativ geladen werden. Das Symbol der Ladung hängt von der triboelektrischen Natur der Materialien ab, aus denen der Riemen und die untere Rollenabdeckung bestehen..
Wenn zum Beispiel die untere Walze mit Nylon bedeckt ist, der Riemen jedoch aus Gummi besteht, sollte die triboelektrische Reihe überprüft werden, um zu wissen, welches Material sie erhält und welches die Elektronen abgibt, sobald sie in Kontakt sind..
Da Nylon positiver ist, dh weil es in der triboelektrischen Reihe höher ist als Gummi, verliert es Elektronen, während Gummi sie gewinnt. Daher wird der Riemen beim Starten des Generatormotors negative Ladungen verdrängen oder mobilisieren..
Wenn die untere Walze mit Silikon bedeckt ist, geschieht das Gegenteil: Der Riemen verliert Elektronen, da Silikon in der triboelektrischen Reihe negativer ist als Gummi. Infolgedessen verschiebt oder mobilisiert der Gürtel positive Ladungen (wie im bereits beschriebenen Bild)..
Triboelektrizität ist nur eines von vielen elektrischen Phänomenen (Korona- und photoelektrische Effekte, Faradays Eiswürfel, elektrische Felder usw.), die im Van de Graaff-Generator auftreten. Der Hauptpunkt ist jedoch, dass es elektrische Ladungen in Richtung der Metallkuppel bewegen, mobilisieren oder "pumpen" kann..
Sobald die untere Walze nach Aktivierung des Motors negativ geladen ist und der Riemen positiv ist, beginnen die Elektronen von der Walze, die auf der Außenseite des Riemens befindlichen Elektronen abzustoßen. Diese Elektronen wandern durch die Luft in Richtung der unteren Bürste, wo sie zur Erde oder zu einem anderen Gerät geleitet werden..
Der positiv geladene Riemen erreicht die obere Rolle, die gegenüber der unteren Rolle triboelektrisch ist; das heißt, anstatt negativ geladen zu sein, muss es Elektronen verlieren und daher auch positiv geladen werden. Somit bewegt sich die positive Ladung in Richtung der oberen Walze und schließlich in Richtung der oberen Bürste in direktem Kontakt mit der Metallkuppel.
Elektronen von der oberen Bürste werden zur Walze transportiert, um Ladungen zu neutralisieren. Aber diese Elektronen kommen von der Oberfläche der Metallkuppel. Daher erhält die Kuppel auch eine positive Ladung.
Die Kuppel erreicht entsprechend ihren Abmessungen ein maximales Potential. Danach müssen die elektrischen Ladungen ausgeglichen werden. Da es sehr positiv ist, empfängt es Elektronen von einer sehr negativ geladenen Quelle - dem Gerät, das die Elektronen von der unteren Bürste empfängt. Somit wird eine elektrische Entladung (Funke) von der Vorrichtung (negativ) in Richtung der Metallkuppel (positiv) erzeugt..
Je höher die erreichten elektrischen Potentiale sind, proportional zu den Abmessungen des Generators, desto intensiver sind die reproduzierten elektrischen Entladungen. Es ist zu beachten, dass Elektronen, wenn sie nicht so groß wären, nicht durch Luft, ein nicht leitendes dielektrisches Medium, wandern könnten.
Wenn die Metallkugel positiv geladen ist und jemand sie berührt, werden auch ihre Haare positiv geladen. Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, und daher stehen die Haare zu Berge und trennen sich voneinander. Dieses Phänomen wird zu Bildungszwecken in Kursen verwendet, in denen Elektrostatik eingeführt wird.
So werden kleine Van de Graaff-Generatoren verwendet, um die Aufmerksamkeit der Beobachter auf das Stehen ihrer Haare zu lenken. oder in der Betrachtung von Elektroschocks, originalgetreue Nachbildungen von denen, die wir in Science-Fiction-Filmen sehen.
Wenn die Kuppel viele elektrische Ladungen konzentriert, wird ein Potential erzeugt, das subatomare Teilchen beschleunigen kann. Zu diesem Zweck wird der Van de Graaff-Generator zur Reproduktion von Röntgenstrahlen in medizinischen Studien und in der Kernphysik verwendet..
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