Penjana Van de Graaff

Penjana Van de Graaff ialah sejenis penjana elektrostatik yang menggunakan tali sawat bergerak untuk mengumpul cas elektrik dalam sfera logam berongga di atas tiang yang terlindung menghasilkan keupayaan elektrik yang sangat tinggi. Ia menghasilkan arus terus bervoltan tinggi daripada arus elektrik yang rendah.
Mesin ini dicipta oleh seorang ahli fizik Amerika bernama Robert J. Van de Graaff pada tahun 1929. Perbezaan keupayaan yang dihasilkan oleh penjana Van de Graaff moden boleh mencapai sebanyak 5 megavolt. Rekaan mudah alih boleh menghasilkan sebanyak 100,000 volt serta menyimpan tenaga yang cukup untuk menghasilkan percikan yang dapat dilihat. Mesin penjana yang kecil dihasilkan untuk tujuan hiburan, serta untuk tujuan pendidikan fizik untuk pengajaran dalam mengenai elektrostatik; rekaan yang lebih besar dipaparkan dalam beberapa muzium sains.
Penjana Van de Graaff pada asalnya dibangunkan sebagai pemecut zarah untuk penyelidikan fizik, dengan keupayaannya yang tinggi digunakan untuk memecutkan zarah subatom pada kelajuan yang tinggi dalam tiub yang dipindahkan. Mesin ini merupakan pemecut yang paling kuat pada zamannya sekitar 1930-an sehingga terbangunnya mesin siklotron. Penjana Van de Graaff masih digunakan sebagai alat pemecut untuk menjana zarah bertenaga dan kolum sinar X untuk penyelidikan perubatan nuklear. Untuk menggandakan voltan, dua penjana sering digunakan bersama-sama, dengan satu buah penjana menghasilkan keupayaan elektrik positif dan satu penjana menghasilkan keupayaan yang sebaliknya; binaan sebegini disebut sebagai pemecut Van de Graaff tokokan. Sebagai contoh, mesin Van de Graff tokokan di Makmal Negara Brookhaven menghasilkan kira-kira 30 juta volt beza keupayaan.
Voltan yang dihasilkan oleh sebuah mesin Van de Graaff terbuka hanya terhad dengan busur dan pelepasan korona kira-kira 5 megavolt. Mesin gred industri yang terbaru disimpan di dalam tangki gas penebat bertekanan tinggi; mesin sebegini boleh mencapai keupayaan sebanyak kira-kira 25 megavolt.

Penerangan

Sebuah penjana Van de Graaff mudah terdiri dari tali sawat getah (atau bahan dielektrik yang sama) bergerak di atas dua pengguling yang berbeza bahan, salah satunya dikelilingi oleh sfera logam berongga. Dua elektrod, (2) dan (7), dalam barisan mata logam berbentuk sikat diletakkan di bahagian bawah pengguling yang lebih rendah dan di atas pengguling berdekatan sfera. Sikat (2) disambungkan ke sfera, dan sikat (7) ke bumi. Kaedah pengecasannya adalah berdasarkan kesan triboelektrik di mana sentuhan mudah antara bahan yang berbeza akan menyebabkan pemindahan beberapa elektron dari satu bahan ke satu bahan yang lain. Sebagai contoh (lihat gambarajah), getah tali pinggang akan menjadi negatif dikenakan sementara akrilik segelas roller atas akan menjadi positif. Tali pinggang membawa diri yang negatif bertanggungjawab atas permukaan sementara roller atas berkumpul positif yang bertanggungjawab. Seterusnya, medan elektrik yang kuat sekitar pengguling atas positif atas (3) menghasilkan medan elektrik yang sangat tinggi berdekatan dengan mata-mata berdekatan sikat yang bersebelahan (2). Pada mata-mata ini, medan elektrik menjadi cukup kuat untuk mengionkan molekul udara, dan elektron tertarik ke luar tali sawat manakala ion positif bergerak ke dalam sikat. Di sikat (2) ion-ion ini dineutralkan oleh elektron yang berada di sikat meninggalkan sikat dan kelongsong luar yang tercantum (1) dengan sedikit elektron bersih . Dengan prinsip yang digambarkan dalam eksperimen baldi ais Faraday, iaitu melalui hukum Gauss, cas positif yang berlebihan terkumpul di luar permukaan kelongsong luar (1), lalu tiada medan wujud di dalam kelongsong. Induksi elektrostatik melalui kaedah ini berterusan membentuk jumlah cas yang sangat besar pada kelongsong mesin.
Dalam contoh tersebut, pengguling bawah logam (6) mengumpul cas negatif daripada permukaan tali sawat. Sikat bawah (7) menghasilkan medan elektrik yang tinggi medan listrik pada matanya yang juga cukup besar untuk mengionkan molekul udara. Dalam kes ini elektron tertarik kepada sikat tersebut dan ion udara positif meneutralkan cas negatif di permukaan luar tali sawat atau menjadi terlekat pada tali sawat. Keseimbangan tepat cas pada sisi-sisi menaik dan menurun tali sawat akan bergantung pada gabungan bahan-bahan yang digunakan. Dalam contoh ini, sisi menaik tali pinggang sawat mesti lebih bercas positif daripada sis berlawanan. Suatu "arus mengecas" tetap mengalir melalui tali sawat yang sedang bergeraj, dan sfera penjana mengumpul cas positif jawab secara berterusan sehingga kadar cas yang dihilangkan (melalui kebocoran dan penyahcasan korona) bersamaan dengan arus yang mengecas. Semakin besar sfera logam dan semakin jauh sfera itu dari tanah, semakin tinggilah kemuncak keupayaan elektrik yang ada. Dalam contoh, tongkat dengan sfera logam (8) terhubung ke bawah tanah, sepertimana sikat bawah (7); elektron akan ditarik dari tanah akibat tarikan kepada sfera bercas positif, dan apabila medan elektrik menjadi cukup besar (lihat di bawah) udara terpecah dalam bentuk pelepasan percikan elektrik (9). Bahan tali sawat dan pengguling boleh dipilih, oleh itu cas yang terkumpul pada sfera logam berongga boleh dijadikan positif (kekurangan elektron kekurangan) mahupun negatif (dengan elektron yang berlebihan).
Keupayaan elektrik maksimum yang boleh dicapai adalah kira-kira sama dengan radius sfera penjana, R, didarabkan dengan tenaga janaan medan elektrik, Eₘₐₓ, di mana penyahcasan korona mula terbentuk dalam gas sekitarnya. Medan pecahan dikira-sekitar 30 kV/sm dalam udara bersuhu dan tekanan piawai. Oleh itu, elektod sfera berdiameter 30sm yang digilap dijangka boleh menghasilkan voltan maksimum Vₘₐₓ = R·Eₘₐₓ sebanyak kira-kira 450 kV. Hal ini menjelaskan sebab mengapa penjana Van de Graaff sering dibina dengan diameter yang sebesar mungkin.