Ван де Графов генератор

Ван де Графов генератор е електростатички генератор, кој користи подвижен појас за акумулирање на електричниот полнеж на шуплив метален свет на врвот на изолираната колона, создавајќи многу високи електрични потенцијали. Тој произведува електрична струја со многу  висок напон (DC) на ниски моментални нивоа. Измислен е од американскиот физичар Роберт Ј. Ван де Граф во 1929. 
Потенцијална разлика постигната со модерните Ван де Графови генератори може да достигне и 5 мегаволти. Една маса верзија може да произведе по редослед од 100.000 волти и може да собере доволно енергија за да се произведе видлива искра. Малите Ван де Графови машини се произведени за забава, и за образование за физика, со што се учи за елекртростатика; поголеми се прикажани во некои научни музеи.

Ван де Графовиот генератор бил развиен како акцелеатор на честички за исражувања во физиката; неговиот висок потенцијал се користи за забрзување на субатомските честички до големи брзини во евакуирана цевка. Тој бил најмоќниот тип на акцелеатор од 1930-тите, сè додека не се развил циклотронот. Ван де Графовите генератори сè уште се користат како акцелеатори за да генерираат енергетски греди за честички и  рендгенски зраци за јадрени истражувања и во јадрена медицина.

Забрзувачите од Ван де Граф често се користат во конфигурацијата"Тандем": прво, негативно наелектризираните јони се инјектираат на едниот крај кон високиот потенцијален терминал, каде што се забрзуваат со привлечна сила кон терминалот. Кога честичките ќе стигнат до терминалот, тие се одземаат од некои електрони за да ги направат позитивно наелектризирани и последователно се забрзуваат со одбивни сили подалеку од терминалот. Оваа конфигурација резултира со две забрзувања за цената на еден ван де Граффов генератор и има дополнителна предност на напуштање на комплицираните извори на инструменти со јонски сигнал достапни во близина на потенцијалот на земјата..

Напонот произведен од машината Ван де Граф на отворено е ограничен со искрење и празнење на короната на околу 5 мегаволти. Повеќето модерни индустриски машини се затворени во резервоарот под притисок од изолационен гас; овие можат да постигнат потенцијал од околу 25 мегаволи.

 Опис 

Едноставен Ван де Графов генератор се состои од ремен од гума (или сличен флексибилен диелектричен материјал) кој се движи преку два ролери од различен материјал, од кои едниот е опкружен со шуплива метална сфера. Две електроди, (2) и (7), во вид на решетки во облик на честички од остри метални точки, се поставени во близина на дното на долниот ролер и во самата сфера, преку горниот ролер. Чешел (2) е поврзан со сферата, а чешел (7) на земјата. Методот на полнење се заснова на трибоелектричниот ефект, така што едноставниот контакт на различни материјали предизвикува пренос на некои електрони од еден материјал на друг. На пример (види дијаграм), гумата на ременот ќе стане негативно наелектризирана додека акрилното стакло на горниот ролер ќе стане позитивно наелектризирано. Ременот го носи негативното полнење на неговата внатрешна површина додека горниот ролер акумулира позитивен полнеж. Следно, силното електрично поле околу позитивниот горен ролер (3) предизвикува многу високо електрично поле во близина на точките од блискиот чешел (2). Во точките, полето станува доволно силно за да ги јонизира молекулите на воздухот, а електроните се привлекуваат кон надворешноста на ременот, додека позитивните јони одат до чешелот. На чешел (2) тие се неутрализирани од електрони кои беа на чешелот, со што се остава чешелот и приложената надворешна обвивка (1) со помалку мрежни електрони. Со принципот илустриран во експериментот на Фарадеј со мраз, односно според Гаусовиот закон, вишокот на позитивен полнеж се акумулира на надворешната површина на надворешната обвивка (1), оставајќи никакво поле во внатрешноста на школката. Електростатичката индукција со овој метод продолжува, создавајќи многу големи количини на полнење на школка.

На пример, долниот ролер (6) е метал, кој зема негативно полнење од внатрешната површина на ременот. На долниот чешел (7) се развива високо електрично поле во неговите точки, кое, исто така, станува доволно големo за да јонизира молекули на воздух. Во овој случај електроните се привлечени кон чешелот и позитивните јони на воздухот го неутрализираат негативното полнење на надворешната површина на ременот или се прицврстуваат за ременот. Точната рамнотежа на полнежот на горните наспроти долните страни на ременот зависи од комбинацијата на употребените материјали. Во примерот, ременот што се движи нагоре мора да биде попозитивен од ременот што се движи надолу. Додека ременот продолжува да се движи, постојана "струја за полнење" патува преку ременот, а сферата продолжува да акумулира позитивен полнеж додека стапката што се наплаќа е изгубена(преку истекување и празнење на короната) и е еднаква на струјата на полнење. Колку е поголема сферата, а подалеку од земјата, толку поголем ќе биде нејзиниот врвен потенцијал. Во примерот, стапчето со метална сфера (8) е приклучено на земјата, како што е и долниот чешел (7); електроните се извлекуваат од земјата поради привлечноста од позитивната сфера, а кога електричното поле е доволно големо (видете подолу), воздухот се крши во форма на електрична празнечка искра (9). Бидејќи материјалот на ременот и ролерите може да се избере, акумулираното полнење на шупливата метална сфера може да се направи позитивно (електронски дефицитарни) или негативни (вишок електрони).

Фрикциониот тип на генератор опишан погоре е полесно да се изгради за научни фер или домашни проекти, бидејќи не бара високонапонски извор. Поголеми потенцијали може да се добијат со алтернативни дизајни (за кои не се дискутира тука) за кои се користат високонапонски извори на горните или долните положби на ременот за поефикасно пренесување на полнежот на и надвор од ременот.

Генералниот терминал на Ван де Граф не мора да биде обликуван во сфера, а всушност, оптималната форма е сфера со внатрешна крива околу дупката каде што појасот влегува. Заоблениot терминал го минимизира електричното поле околу него, овозможувајќи поголеми потенцијали да се постигнат без јонизација на воздухот или друг диелектричен гас, кој го опкружува. Надвор од сферата, електричното поле станува многу силно, а примaњето на полнежи директно од надвор, наскоро ќе биде спречено од полето. Бидејќи електрично наелектризираните проводници немаат никакво електрично поле внатре, полнежите може да се додаваат континуирано одвнатре без да се зголемат до целосен потенцијал на надворешната обвивка. Бидејќи генераторот на Ван де Граф може да ја снабдува истата мала струја на речиси секое ниво на електричниот потенцијал, тоа е пример за речиси идеален тековен извор.

Максималниот постигнат потенцијал е приближно еднаков со полупречникот на сферата R помножен со електричното поле Emax при што празнењата на короната почнуваат да се формираат во рамките на околниот гас.  За воздух на стандардна температура и притисок (STP) електричното поле на дефект е околу 30 kV/cm. Затоа може да се очекува полирана сферична електрода со пречник од  30 cm да развие максимален напон  Vmax = R·Emax од околу 450 kV. Ова објаснува зошто генераторите на Ван де Граф често се прават со најголем можен пречник.

 Историја 


Концептот на електростатички генератор во кој полнежот механички се транспортира во мали количини во внатрешноста на високонапонската електрода потекнува од генераторот на Келвин, измислен во 1867 година од Вилијам Томсон (Лорд Келвин), во кој капки вода со одреден полнеж паѓаат во кофа со ист поларен полнеж и се додаваат на полнежот. 
Во машината од овој тип гравитациската сила ги движи капките против спротивното електростатичко поле на кофата. Самиот Келвин најпрво предложил користење на ремен за носење на полнежот наместо вода. Првата електростатичка машина која користела бесконечен појас за транспорт на полнеж била изградена во текот на 1872 година од страна на Аугусто Риги. Користрела индиски гумен појас со жичени прстени по должината на носачите, кои поминале во сферична метална електрода. Полнежот се нанесувал на ременот од заземјениот долен валјак со помош на електростатичка индукција, користејќи наполнета плоча. Џон Греј, исто така, измислил ремен-машина околу 1890 година.  Друга покомплицирана ремен-машина била измислена во текот на 1903 година од Хуан Бурбоа  US patent no. 776997, Juan G. H. Burboa Static electric machine, filed: August 13, 1903, granted: December 6, 1904  Повеќе непосредна инспирација за Ван де Граф бил генераторот WFG Swann, кој се развивал во текот на 1920-тите, во кој полнежот бил транспортиран до електродата со паѓање на метални топчиња, на тој начин враќајќи се на принципот на генераторот на Келвин.

Причината зошто полнежот извлечен од ременот се движи кон надворешноста на сферичната електрода, иако веќе има висок полнеж за истиот поларитет, се објаснува со експериментот на Фарадеј со мраз.

Генераторот на Ван де Граф се развивал, почнувајќи од 1929 година, од страна на физичарот Роберт Ј. Ван де Граф на Универзитетот Принстон со стипендија, со помош на колегата Николас Бурк. Првиот модел бил демонстриран во октомври 1929 година. Првата машина користела обична лименка за калај, мал мотор и лента свила купена во продавница чии производи чинеле 5 или 10 центи. Потоа отишол кај претседателот на одделот за физика, барајќи сто долари за да направи подобрена верзија. Тој добил пари, со некои тешкотии. До 1931 година тој можел да објави постигнување на 1,5 милиони волти, велејќи: "Машината е едноставна, евтина и пренослива. Вообичаената ламба е единствената потребна енергија"."R. Van de Graaf, Phys. Rev. Vol.38, 1931, p.1919Niels Bohr's Times, Abraham Pais, Oxford University Press, 1991, pp.378-379 Според патентната пријава, имал две полнеж-акумулаторни сфери со пречник од 60cm, поставени на боросиликатни стаклени столбови високи 180 cm; апаратот чинeл само 90 долари за време на 1931 година..Article "Van de Graaff's Generator", in "Electrical Engineering Handbook",  (ed)., CRC Press, Boca Raton, Florida USA, 1993 

Ван де Граф аплицирал за втор патент во текот на декември 1931 година, кој бил доделен на Масачусетс Институтот за технологија МИТ во замена за дел од нето приход. Патентот подоцна бил одобрен.

Во текот на 1933 година, Ван де Граф изградил 40-метарски (12-метарски) модел на објектот на МИТ на Раунд Хил, чија употреба била донирана од полковникот Едвард Х. Р. Грин.

Еден од акцелераторите на Ван де Граф користел две куполи со полнеж и доволна големина што секоја од куполите имала лаборатории внатре - една за да обезбеди извор на забрзан зрак, а другата за да го анализира вистинскиот експеримент. Моќта за опремата во внатрешноста на куполите доаѓала од генератори што истрчале од појасот, а неколку сесии завршиле грозно, бидејќи еден гулаб се обидел да лета меѓу двете куполи, предизвикувајќи тие да немааат полнеж. (Акцелаторот бил поставен во хангарот на авионот.)

Во текот на 1937 година, компанијата Westinghouse Electric изградила Ван де Графов електростатички, јадрен акцелатор, генератор способен да генерира 5 MeV од  во Форест Хилс, Пенсилванија.  Го означил почетокот на јадреното истражување за цивилни апликации. Тој бил деактивиран во текот на 1958 година и бил уништен во текот на 2015 година.Westinghouse Electric

Поновиот развој е  тандемот за забрзување на Ван де Граф, кој содржи еден или повеќе генератори на Ван де Граф, во кои негативно наелектризираните јони се забрзуваат преку една потенцијална разлика пред да бидат одземени од два или повеќе електрони, во висок напонски терминал и повторно се забрзуваат . Пример за операција од три фази е изградена во Оксфордската јадрена лабораторија во текот на 1964 година од 10 МВ еднократно "инјектор" и 6 МВ EN EN тандем.J. Takacs, Energy Stabilization of Electrostatic Accelerators, John Wiley and Sons, Chichester, 1996

До 1970-тите, колку што 14 милиони волти можеа да се постигнат на терминалот на тандем кој користел резервоар од високопритисочен сулфур хексафлуорид (SF6) за да спречи искри со зафаќање на електрони. Ова овозможило генерирање на тешки јонски зраци од неколку десетици мегаектронони волти, доволни за проучување на директните јадрени реакции од јонското зрачење. Најголем потенцијал, штп може да го одржува ван де Графовиот акцелератор, е 25,5 MV, постигнат со тандем во Холифилд радиоактивниот јонски објект во Националната лабораторија во Оук Риџ.

Понатамошен развој е пелетронот, каде што гумениот или ткаенинскиот појас е заменет со ланец на кратки спроводни прачки поврзани со изолациски врски, а електродите за јонизирање на воздух се заменуваат со заземјен валјак и индуктивна електрода со полнеж. Ланецот може да работи со многу поголема брзина од ременот, и напонот и струјата што можат да се достигнат се многу поголеми отколку со конвенционалниот генератор на Ван де Граф. На 14  UD тешки јонски акцелератори на Австралискиот национален универзитет се сместени 15-милионски волтен пелетрон. Неговите ланци се долги повеќе од 20 метри и можат да патуваат побрзо од 

Јадрената структура (NSF)J S Lilley 1982 Phys. Scr. 25 435-442 ) во Даресбери лабораторијата била предложена во текот на 1970-тите, нарачана во 1981 година и отворена за експерименти во текот на 1983 година. Се состоела од тандем на Ван де Графов генератор, кој работел рутински на 20 MV, сместен во посебна зграда висока 70 метри. За време на неговото постоење, тој забрзал 80 различни јонски зраци за експериментална употреба, почнувајќи од протони до ураниум. Посебна одлика била способноста да се забрзаат ретките изотопски и радиоактивни греди. Можеби најважно откритие направено со помош на NSF било она на супер-деформирани јадра. Овие јадра, кога се формираат од соединување на полесни елементи, многу брзо се вртат. Образецот на гама-зраци кои се емитираат додека го забавуваат обезбедуваат детални информации за внатрешната структура на јадрото. По финансиските намалувања, НСФ се затворила во 1993 година.

 Забавни и образовни генератори

Најголемиот Ван де Графов генератор во светот, изграден од д-р Ван де Граф во текот на 1930-тите години, сега е постојано прикажуван во Бостонскиот  музеј за наука. Со две приклучени метарски алуминиумски сфери кои стојат на колумни високиметри, овој генератор често може да добие 2 MV (2 милиони волти). Тоа може да се покаже со користење на Ван де Графовиот генераторот и неколку калеми на Тесла, кои се изведуваат два до трипати на ден. Многу научни музеи, како што е Американскиот музеј за наука и енергија,  имаат мали генератори на Ван де Граф, и ги искористуваат нивните квалитети што произведуваат статика, за да создадат "молња" или да ја зацврстат косата на луѓето. Генератори на Ван де Граф исто така се користат во училиштата и за научни емисии.

 Споредба со други електростатички генератори 
Другите електростатички машини како Вимшуртс машината или Бонети машината  работат слично на Ван де Графовиот генератор; полнењето се транспортира со подвижни плочи, дискови или цилиндри на високонапонска електрода. Сепак за овие генератори коронското празнење од изложени метални делови со високи потенцијали и послаба изолација резултира со помали напони. Во електростатички генератор, стапката на (електричната струја) на високонапонската електрода е многу мала. По стартувањето на машината, напонот на терминалната електрода се зголемува сè додека струјата на истекување од електродата не е еднаква на брзината на транспортот. Затоа истекувањето од терминалот го одредува максималниот напон кој може да се постигне. Во генераторот Ван де Граф, ременот овозможува транспорт на полнење во внатрешноста на голема шуплива сферична електрода. Ова е идеална форма за минимизирање на истекување и коронско пранење, така што генераторот на Ван де Граф може да произведе најголем напон. Ова е причината зошто дизајнот на Ван де Граф бил користен за сите акцелератори на електростатички честички. Во принцип, колку е поголем пречникот и помазна сферата, толку е поголем напонот што може да се постигне.

 Патенти 
  — "Electrostatic Generator"
  — "Apparatus For Reducing Electron Loading In Positive-Ion Accelerators"

 Поврзано 
 Роберт Ј.Граф
 Електростатичка индукција
 Електростатичка левитација
 Трибоелектричен ефект
 Статична струја
 Висок напон
 Генератор на Келвин
 Трансформатор на Телса
 Трансформатор на Квидин
 Вимшуртска машина
 Ван де Графов електостатски јадрен ацелератор

 Наводи 

 Надворешни врски 

Категорија:Физика на забрзувачите
Категорија:Американски пронајдоци