Generatoro de Van de Graaff

eta|La generatoro sen la kava sfero de metalo.
La generatoro de Van de Graaff  aŭ bendgeneratoro estas elektrostatika maŝino kiu uzas moveblan bendon por amasigi grandajn kvantojn de elektra ŝargo sur la surfaco de kava metala sfero. La diferencoj de potencialo tiel atingitaj per generatoro de Van de Graaff povas atingi kvin megavoltojn. La diversaj aplikoj de ĉi tiu maŝino inkludas la produktadon de ikso-radioj, sterilizon de alimentoj kaj eksperimentojn de partikla fiziko kaj nuklea fiziko.

 Konstruo kaj funkciado 
Ekzistas diversaj tipoj de bendgeneratoroj kiuj diferenciĝas pro la konstruformo kaj pro la materialoj uzitaj, sed ĝiaj bazaj funkciprincipoj estas ĉiam la triboelektro, la elektrostatika indukto kaj la pintefiko.

Sekve estas priskribita la funkciado de la generatoro ilustrita en la figuroj. Estas modelo uzata por montri elektrostatikajn fenomenojn dum fizikinstruado en lernejoj. Per ĝi eblas produkti elektran tension ĝis proksimume 150 kV.

 Konstruo 
eta|maldekstre|1 guma bendo
2 malsupra metala rulo
3 supra rulo el polietilmetacrilato
4 kava metala sfero
5 supra metala kombilo
6 malsupra metala kombilo
7 motoro
La generatoro konsistas el guma transportbendo (1) (gravas ke ĝi estu farita el izola materialo!), kiu moviĝas super la malsupra metala rulo (2) kaj la supra rulo el polimetilmetacrilato (3). La malsupra rulo estas motorizita.  Super la bendo troviĝas kava metala sfero (4) kun proksimume 20 cm de diametro. Interne ĝi estas konektita al metala kombilo (5) kiu troviĝas proksime al la supra rulo kaj la bendo sed ne tuŝas ĝin. Alia metala kombilo (6) konektita al tero troviĝas proksime al la malsupra rulo kaj la bendo. La kolonoj kiuj subtenas la aksojn de la ruloj kaj la kavan sferon estas faritaj el izola materialo.

 Funkciado 
Unue ni rigardu la supran rulon. Kiam la bendo estas movata ĝi kontaktiĝas kaj malkontaktiĝas kun la supra rulo. Sekve, pro la triboelektra efiko inter la du materialoj la rulo cedas elektronojn al la gumbendo kaj ŝargiĝas pozitive. La ceditaj elektronoj disiras laŭ la tuta interna surfaco de la bendo , kiu estas pli granda ol la surfaco de la rulo.  Pro tio la metala kombilo, kiu troviĝas proksime al la supra rulo spertas precipe la efikon de la pozitive ŝargita rulo. Pro la elektrostatika indukto, la negative ŝargitaj elektronoj estas altirataj al la pintoj de la kombilo, kie, pro la pintefiko, kreiĝas forta elektra kampo. En tiu forta kampo kelkaj molekuloj de la aero estas jonigitaj. Sekve la aero fariĝas konduktanta kaj elektronoj estas transportataj de la kombilo al la ekstera surfaco de la gumbendo. Ĉar la gumbendo estas izola, ili ne povas trapasi ĝin kaj neŭtraligi la rulon, sed estas transportataj suben al la malsupra metala kombilo. Kompreneble, ĉar la negativaj elektronoj estas forlasintaj la metalan kavan sferon per la supra kombilo, la sfero restas pozitive ŝargita. Sed la pozitivaj ŝargoj (=manko de elektronoj) forpuŝas unu la alian kaj sekve ili koncentriĝas sur la ekstera surfaco de la sfero (kaĝo de Faraday).

Proksime al la malsupra rulo troviĝas alia metala kombilo konektita al tero. La malsupra rulo estas farita el ŝtalo, materialo kiu en la triboelektra vico troviĝas tre proksime al gumo kaj pro tio ĝi preskaŭ ne estas ŝargita per la movo de la bendo. Sekve, al la pintoj de la malsupra kombilo efikas nur la elektronoj transportitaj sur la ekstera surfaco de la gumbendo. Ili produktas elektrostatikan indukton, kiu siavice estigas fortan elektran kampon proksime al la pintoj de la kombilo. Tial la aero ĉirkaŭanta la pintojn estas jonigata kaj elektronoj povas flui de la bendo al la kombilo kaj sekve al tero.

Entute la movo de la bendo produktas fluon de elektronoj de la kava metala sfero al la tero. Tiel la elektra potencialo de la metala sfero rilate al la tero altiĝas ĝis la valoro de la potencialdiferenco estas tiom alta, ke okazas malŝargo tra la aero aŭ iu ajn de la izolaj materialoj inter la sfero kaj la tero.

 Historio 
Ĉi tiu tipo de elektra generatoro estis inventita de la fizikisto Robert J. Van de Graaff en la MIT en la jaro 1929 por realigi eksperimentojn en atoma fiziko. Oni akcelis ŝargitajn partiklojn por koliziigi ili kun fiksaj celoj je granda rapido. La rezultoj de la kolizioj donas informojn pri la karakterizaĵoj de la kernoj de la materialo kiu konstituas la celon. La unua funkcia modelo estis prezentita en oktobro de 1929, kaj en 1931 Van de Graaff estis produktinta generatoron kapablan atingi diferencojn de potencialo de unu megavolto. Nuntempe ekzistas elektraj generatoroj kapablaj atingi diferencojn de tensio multe pli altaj ol la generatoro de Van Graaff sed ili devenas de ĝi. Tamen, en la plej granda parto de la modernaj eksperimentoj en kiuj estas necese akceli elektrajn ŝargojn oni uzas liniajn akcelilojn kun pluraj kampoj de akcelo kaj ciklotronoj.

Multaj lernejoj kaj muzeoj de scienco estas ekipitaj kun generatoroj de Van de Graaff ĉar per ili estas relative facile montri la elektrostatikajn fenomenojn.

 Eksteraj ligiloj 

 Generatoro de Van de Graaff

Kategorio:Fiziko
Kategorio:Elektro
Kategorio:Elektrostatiko