Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

Принцип действия генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — один из первых линейных ускорителей. Тем не менее воспроизвести его действующую модель по силам любому, кто хоть немного разбирается в электротехнике.

Генератор Ван де Граафа

Генератор состоит из двух сфер, на которые подаются положительные и отрицательные заряды, диэлектрической закольцованной ленты, натянутой на 2 вращающихся валика (верхнего и нижнего), двух электродов в виде щеток, расположенных около валиков, причем верхний электрод замкнут на внутреннюю поверхность сферы, а нижний соединен с источником высокого напряжения.

Устройство начинает работать с вращением ленты, натянутой на валики. Верхний валик изготовлен из диэлектрического материала, а нижний – из металла с заземлением. Верхний электрод соединен с металлической сферой, а нижний, связанный с источником высокого напряжения, ионизирует окружающий воздух и создает положительные ионы, «прилипающие» к движущейся ленте.

Генератор Ван де Граафа

Она, подобно транспортеру, «доставляет» положительные заряды «наверх», где с валика их снимает щеточный электрод, перебрасывая на внутреннюю поверхность сферы, где заряды накапливаются.

Одновременно на другой сфере происходит накопление отрицательных зарядов. Как только накопленный потенциал достигает критического уровня, происходит электрический разряд.

На заре ядерной эпохи генератор Ван де Граафа какое-то время использовался в качестве линейного ускорителя частиц. Но его активная научная «карьера» продолжалась недолго. Очень скоро появились ускорители нового поколения, несоизмеримые по мощности и возможностям со своим предшественником.

Однако в отличие от своих «ровесников», электротехнических устройств середины прошлого века, списанных в утиль, генератор Ван де Граафа ведет довольно активную жизнь. Из ведущих исследовательских центров он перебрался в школьные физклассы и институтские лаборатории, став, к примеру, незаменимым учебным пособием для моделирования природных разрядов в газовой среде.

Эксперимент Волосы дыбом

Пожалуй, одним из самых известных опытов носит название «волосы дыбом». Для этого нужно встать на резиновый коврик или деревянную доску и прикоснуться к включенному генератору Ван де Граафа. Обладателей пышной шевелюры ждет сюрприз, достойный снимка с последующим размещением в Instagram.

Как работает генератор Ван де Граафа

Основа генератора Ван де Граафа – две сферы, на которые подаются положительный и отрицательный заряды. Два вращающихся валика служат основой для диэлектрической ленты, соединенной в кольцо. Верхний валик изготовлен из диэлектрика, нижний – из заземленного металлического сплава. Возле валиков расположены электроды в виде щеток, один из которых замкнут на внутреннюю часть сферы, а другой подсоединен к источнику сравнительно высокого напряжения.

Принцип действия генератора Ван де Граафа понятен даже школьнику. Вращение ленты, натянутой на валики, запускает устройство в работу. Нижний электрод, получающий ток высокого напряжения, ионизирует воздух и создает положительные ионы, которые прилипают к движущейся ленте и накапливаются на ней. Действуя по принципу транспортера, лента доставляет положительно заряженные частицы в верхнюю часть устройства, где их снимает щеточный электрод. С его помощью накопленные положительные заряды перебрасываются на внутреннюю поверхность одной из сфер, где происходит их дальнейшее накопление.

Одновременно на другой сфере накапливаются отрицательно заряженные частицы. Как только количество положительных и отрицательных зарядов достигает критического уровня, возникает электрический разряд. Его величина напрямую зависит от длительности работы и геометрических параметров устройства. Так, лично Ван де Грааф сумел получить от своего изобретения около 7 млн вольт энергии, построив достаточно внушительное по размерам устройство, впечатлившее современников изобретателя. Модели, которые сегодня украшают школьные лаборатории, дают несколько сотен вольт. Этого вполне достаточно для демонстрации достоинств изобретения, научившегося собирать и накапливать заряженные частицы из окружающей среды.

Конструкция генератора Ван де Граафа

Данное устройство может иметь два варианта исполнения: горизонтальное и вертикальное. Оба работают по одинаковому принципу и имеют внутри аналогичный набор деталей. Чаще всего применяется вертикальная установка, поскольку она позволяет добиться лучшего обзора при генерировании зарядов.

Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

Конструкция и принцип действия

генератор ван де графа


Конструкция генератора бывает вертикальной и горизонтальной. Наиболее распространенной является установка с вертикальным расположением.
В состав такого генератора входят:

  • бесконечная диэлектрическая резиновая или шелковая лента, двигающаяся со скоростью 20-40 м/c на 2-х вращающихся шкивах;
  • 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика, например, акрилового стекла;
  • полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив. Этот электрод укреплен на изоляторе;
  • источник высокого напряжения.

Нижний шкив заземлен. На электрод, находящийся вблизи этого шкива, подается высокое напряжение. На небольшом расстоянии от верхнего и нижнего шкивов установлены электроды, выполненные в виде щетки или гребенки. Верхний электрод соединен с полой полусферой.

История создания

Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-1967), работавший в Принстонском университете, вошел в историю как создатель электростатического ускорителя элементарных частиц.

Изобретатель генератора

Первое описание генератора Ван де Граафа было сделано в 1929 году, а через два года он создал высоковольтный ускоритель, который мог выдавать электрическое напряжение 1 МВ. В 1935 году усовершенствованная конструкция вырабатывала уже 7 мегавольт.

Генератор Ван де Граафа впоследствии стал основой для современной разновидности линейного ускорителя, названного пеллетроном. Разница между ними заключалась в способе передачи заряженных частиц. Если у генератора они передавались при помощи диэлектрической ленты, то у пеллетрона — металлической цепью.

Назначение и характеристики

1-й генератор данного типа вырабатывал напряжение в 80 кВ. В дальнейшем изобретатель получил напряжения в 1 МВ и 7МВ. При этом напряжение первичного источника было 50 кВ.

Современные установки позволяют получить с помощью этого генератора напряжения в 20 миллионов вольт. Для этого используются тандемные установки. При этом ток в пучках может достичь нескольких мА, а энергия частиц – 40-50 МэВ.

Для получения частиц с большей энергией используются более мощные установки – циклотроны, коллайдеры.

Наиболее мощный генератор Ван де Граафа был использован в английской лаборатории Daresbury, в которой с 1983 по 1993 годы проводились ядерные эксперименты. В установке был использован тандемный генератор, развивающий напряжение в 20 МВ. Этот генератор располагался в здании высотой в 70 м. Важнейшим открытием, выполненным с помощью этой установки, было открытие супердеформированных ядер.

До войны в Советском Союзе был также построен большой генератор такого типа. На 2-х фарфоровых изоляторах были установлены металлические шары диаметром в 5 м. Напряжение между шарами достигало 15 МВ. При разряде появлялись молнии размеров в 15 м. При этом время заряда достигало 10 минут, а средняя мощность установки была менее 100 Вт.

Генераторы для опытов и образования

Генераторы Ван де Граафа могут быть использованы для проведения опытов в области физики и электростатики. При этом большое количество генераторов имеется в продаже. Также в Интернете приведено много разных схем и конструкций для самостоятельного изготовления генератора.

Примером такого устройства является генератор, производимый немецкой компанией 3B Scientific GmbH. Цена такого прибора 104076 руб.

Основные характеристики прибора:

  • создаваемое напряжение около 100 кВ;
  • ток короткого замыкания-15 мкА;
  • питание двигателя от сети переменного тока;
  • мощность потребления -13 ВА;
  • размеры -240х120х620 мм;
  • размеры шара – диаметр 90 мм, высота 420 мм;
  • вес генератора -5,8 кг.

При работе с данным прибором необходимо выполнять ряд требований по технике безопасности:

  1. Данный прибор может представлять опасность для близко стоящих к прибору людей, у которых вживлен кардиостимулятор.
  2. Компьютерам и другим электронным приборам он может создавать ВЧ помехи.
  3. Нельзя использовать прибор во влажных помещениях.
  4. Нельзя прикасаться к цепям прибора.
  5. Включать прибор можно только в сетевую розетку, имеющую заземление.
  6. При замене предохранителя необходимо обязательно отключать прибор от сети.

Где применяется генератор

Изначально устройство применялось для разгона заряженных частиц, но со временем появились более совершенные ускорители, и необходимость в нем отпала. В настоящее время опыты с генератором Ван де Граафа ставятся в основном для моделирования процессов, происходящих во время грозовых разрядов.

Молния между электродами

В современных школах это устройство является стандартным оборудованием физических кабинетов. На территории бывшего СССР генератор не выпускался. В школах для опытов использовалась электрофорная машина Вимшурста, которая была впоследствии названа «Разряд».

Способность генератора издавать разряды используется в различных шоу-программах и цирковых трюках. Он может создавать поле, удерживающее в воздухе небольшие предметы, а мощный заряд позволяет работать электрическим приборам вдали от источника электричества.

Меры предосторожности

Как любое устройство, создающее высокое напряжение, генератора Ван де Граафа требует мер предосторожности при работе с ним. Разряду неважно, где возникать: между разнополярными электродами или между заряженным электродом и телом человека. Достаточно существенной разницы в потенциалах. Поэтому при работе с генератором человек должен находиться на резиновом коврике, чтобы его потенциал оставался нейтральным по отношению к накопленному заряду.

Если человек будет находиться на полу, тем более на влажном, то он станет отличным проводником для передачи заряженных частиц земле, и через его тело пройдет разряд величиной в несколько тысяч, а может, и миллионов вольт. Единственное, что может позволить человеку остаться в живых — это малая сила тока.

Люди, имеющие кардиостимуляторы, не должны приближаться к генератору. Электронные приспособления, такие как часы, сотовые телефоны, могут давать сбой в работе. Поэтому перед началом экспериментов нужно оставить их в стороне.

Сборка генератора — что сделать перед началом работы

Элементы генератора, такие как ленты, шкивы, сфера, притягивают к себе пыль, как магнит. Перед началом работы нужно очистить механизмы. Для этого нужно снять большую сферу и влажной тряпочкой протереть детали устройства. Если накопленный заряд не позволяет избавиться от пыли, то можно применить спрей-антистатик для волос.

Самое важное, что нужно сделать до начала вращения генератора — это убедиться в заземлении малого электрода. Иначе разряд будет бить в объект, обладающий большей массой, то есть в человека.

Из чего собрать генератор в домашних условиях — необходимые материалы

Теперь, когда принцип действия генератора Ван де Граафа известен, можно самостоятельно собрать действующую модель для домашних экспериментов. После небольших испытаний выяснилось, что для получения заряженных частиц лучше всего подходит труба ПВХ для водопровода. Если ее потереть синтетическим материалом, то появившийся в ней заряд позволят притягивать мелкие бумажки, отклонять струю воды, падающей вниз. Поэтому ПВХ-труба станет источником заряженных частиц.

А что будет переносить электроны на сферу генератора? Опыты показали, что лучше всего подходит медицинский бинт Мартенса. Он состоит из полиэстера, латекса и хлопчатобумажной ткани.

Теперь, когда определились с основными рабочими частями, составляется полный список необходимых материалов:

  1. Большая металлическая сфера. Она изготавливается из двух крупных салатниц, продающихся в ближайшем гипермаркете.
  2. Труба ПВХ. Потребуется 2 отрезка разного диаметра. Первый станет корпусом генератора, а второй нужно подобрать таким образом, чтобы он плотно надевался на шкив, соединенный с приводом.
  3. Верхний шкив. Можно использовать любой подходящий предмет, на котором бы держалась лента, не соскакивая. Например, старую втулку от велосипедного колеса или большую пластиковую катушку с бортами.
  4. Отрезок медного многожильного провода. Из него будут изготовлены щетки, снимающие и передающие заряд.
  5. Маломощный электродвигатель. Потребуется для вращения нижнего шкива. Однако если есть желание, то привод можно сделать ручной.
  6. Металлические планки для опоры генератора, а также для фиксации шкивов на ПВХ трубе.
  7. Металлический половник. Будет выступать в роли малого электрода.

Генератор Ван де Граафа своими руками: необходимые материалы и последовательность сборки

Для сборки генератора Ван де Граафа своими руками потребуются следующие материалы:

  • Обычный карандаш;
  • Старая паста;
  • Отрезок трубы ПВХ;
  • Перегоревшая лампочка;
  • Длинный отрезок резинки;
  • Алюминиевая фольга и скотч;
  • Батарея на 9 вольт;
  • Деревянная дощечка небольшого размера в качестве основы.

Чтобы собрать генератор Ван де Граафа, необходимо соединить все перечисленные материалы и приспособления следующим образом:

  • В деревянной доске делается отверстие под ПВХ трубку. Для точного выполнения отверстия стоит использовать дрель с перьевым сверлом подходящего размера.
  • Через трубку делается два сквозных отверстия. Они необходимы для размещения и натягивания резинки. Расстояние между отверстиями должно быть таким, чтобы резинка находилась в натянутом состоянии, но не затормаживала работу генератора своим затрудненным вращением.
  • В трубке дополнительно делается два отверстия: первое – чуть выше предыдущего на той же оси, второе – в перпендикулярном направлении по отношению к нижнему.
  • Из старой застывшей пасты вырезается кусок, подходящий под диаметр трубки ПВХ и выступающий из нее не более чем на 1 см. Первый валик готов.
  • Аналогичным образом изготавливается второй валик.
  • Собирается диэлектрическая пленка. Ее можно сделать из скотча и резинки: обклеить резинку липкой лентой или просто наложить ее сверху, чтобы прижать к роликам.
  • Конструкция миникопии электростатического генератора Ван де Граафа готова к сборке. Для надежности крепления отдельных деталей допускается использовать суперклей.
  • Остается добавить щетки для сбора заряженных частиц и их перенаправления внутрь сферы. Нижняя щетка проходит через отверстие в нижней части устройства, верхняя зафиксирована выше. Обе щетки должны находиться близко к резинке, собирающей и транспортирующей заряд, но не касаться ее.
  • Старая неработающая лампочка обклеивается алюминиевой фольгой. К металлической поверхности получившейся сферы подключается верхний провод, после чего лампа в фольге фиксируется в верхней части конструкции.
 генератор Ван де Граафа

Устройство готово к тестированию и эксплуатации в качестве накопителя статического электричества. Рекомендуется испытывать и демонстрировать его, стоя на резиновом коврике, чтобы избежать поражения током.

Сборка генератора Ван де Граафа своими руками

Когда все материалы подготовлены, можно приступить к изготовлению:

  1. Из металлических планок сделать прямоугольную основу для генератора. Ее нужно выполнить в форме квадрата. Размеры должны обеспечивать устойчивость конструкции. Также нужно предусмотреть крепление под электродвигатель. Платформа генератора с электродвигателем шкивом и бинтом
  2. Закрепить на валу электродвигателя нижний шкив. Рабочая поверхность его должна быть закрыта куском ПВХ трубы, который отрезается по ширине бинта Мартенса.
  3. Закрепить на платформе электродвигатель таким образом, чтобы шкив находился по ее центру.
  4. Над шкивом прикрепить в вертикальном положении трубу ПВХ диаметром 150 мм. По длине она должна быть 50-60 см. Чтобы было легко снимать и надевать ленту, на трубе нужно сделать осевой вырез шириной 4-5 см.
  5. На верхнюю часть вертикальной трубы нужно установить второй шкив. Делается это с помощью крепежных скоб. Верхний шкив самодельного генератора
  6. Изготовить из салатниц сферу. Для этого на одной из них вырезать в нижней части отверстие точно по диаметру трубы. К этой же салатнице по периметру нужно припаять несколько скоб, которые будут удерживать вторую половину. Большая сфера из двух салатниц
  7. Сделать щетку из многожильного провода. Для этого снять изоляцию на отрезке 2-3 см и развести пучок на отдельные провода. Щетку одним концом нужно закрепить так, чтобы она касалась верхнего шкива, а другой конец нужно припаять к сфере.
  8. Чтобы из половника сделать электрод, нужно соединить рукоятку с металлической основой генератора и выполнить заземление. Ручку надо изолировать. Для этого подойдет та же ПВХ труба небольшого диаметра. Малый электрод из половника

Прототипы генератора Ван де Граафа на фото столетней давности мало отличаются от устройства, сделанного своими руками. Теперь, когда прибор полностью готов, можно приступать к опытам.

Изготовление генератора Ван де Граафа своими руками — пошаговая схема с фото

Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)
Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

Процесс сборки генератора:

Шаг первый. Собираем корпус генератора
Корпус генератора состоит из ПВХ труб, в качестве основы используется деревянная подставка. Сперва нужно взять основание и приклеить к нему кусок пластиковой трубы длиной 5-7 см (диаметр используемых труб 3/4 дюйма). Далее на эту трубу надевается ПВХ сантехнический тройник. Благодаря такой конструкции устройство можно будет легко разобрать, если понадобится заменить резинку или провести какие-либо другие работы внутри.

Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

Теперь можно устанавливать двигатель, он вставляется в отверстие тройника и располагается горизонтально. Если окажется, что диаметр моторчика будет слишком маленьким, его нужно обмотать изолентой, он должен входить в корпус тройника с некоторым усилием. Чтобы вал двигателя мог взаимодействовать с резинкой, на него нужно надеть кусочек трубочки. Подойдет ампула гелиевой ручки или лучше всего мягкий резиновый кембрик от провода, это будет обеспечивать отличное сцепление с лентой.

Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

После установки двигателя нужно взять дрель и просверлить напротив вала двигателя небольшое отверстие. Затем в него нужно вставить кусок многожильного провода, разлохмаченного на конце. Он будет снимать с ленты электрический заряд. Провод можно закрепить с помощью горячего клея или скотча. Теперь осталось только надеть на вал двигателя резинку и вытащить другой ее конец через верхнюю часть. После этого можно переходить к следующему этапу.

Шаг второй. Делаем вторую ось
Теперь нужно взять еще один кусок ПВХ трубы и отрезать от него кусок в 5-7 сантиметров, он будет вставляться в верхнюю часть тройника. Длина этого куска трубы должна быть такой, чтобы резинка не была слишком сильно натянута, иначе она не сможет вращаться. Но лента и не должна сильно провисать. После того как будет достигнута определенная длина, резинку можно временно зафиксировать вверху гвоздем.

Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)
Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

После установки стаканчика в верхней части трубы нужно просверлить три отверстия. Два нужно для того, чтобы вставить второй вал, а третье для установки контакта. В качестве вала используется гвоздь, на который надевается кусочек стеклянной трубочки. При вращении она имеет самое маленькое трение. Такую трубочку автор сделал из стеклянного предохранителя. Чтобы снять металлические колпачки, их нужно сперва нагреть паяльником, а потом осторожно стащить плоскогубцами.

Ну а далее останется подключить вторую щетку, как и в первом случае нужно расправить щетину на проводе и сделать так, чтобы он находился от ленты на минимальном расстоянии, но не касался ее. Провод фиксируется скотчем или клеем.

Опять же, чтобы система проще разбиралась, можно сделать верхнюю часть съемной, используя муфту для пластиковой трубы. Как это сделать, можно увидеть на фото.

Как сделать Генератор Ван де Граафа своими руками (инструкция с фото)

Шаг третий. Заключительный процесс сборки
На этом этапе конструкция будет собрана полностью. Сперва нужно зафиксировать стаканчик, для этого можно использовать горячий клей или специальный клей для пластика.

После этого можно устанавливать алюминиевую банку, для этого в верхней ее части нужно вырезать отверстие, подходящее по диаметру к стаканчику. Банка должна плотно сесть на него.

Благодаря закругленным краям, такая банка отлично подходит для работы с высоким напряжением, поскольку минимизируется «коронный разряд». Также нужно не забыть пропустить внутрь банки свободный конец провода от верхней щетки.

Достоинства и недостатки генератора

Достоинством генераторов Ван де Граафа состоят в том, что с их помощью можно получить пучки заряженных частиц, у которых имеются следующие качества:

  • непрерывность;
  • высокая интенсивность;
  • отличная стабильность по энергии. Эта характеристика пучка достигает величины 0,01%;
  • малая расходимость (менее тысячной доли радиана).

Недостатки генераторов:

  • ограничения по величине получаемых напряжений и энергии частиц;
  • повышенные требования к пробойному напряжению колонны и ленты;
  • трудности измерения сверхвысоких напряжений;
  • наличие вращающихся частей, уменьшающих надежность устройства.
Источники
  • https://www.techcult.ru/sdelay-sam/4825-generator-van-de-graafa
  • http://dmsht.ru/generatorom-van-de-graafa-svoimi-rukami/
  • https://instrument16.ru/svoimi-rukami/generator-vandergrafa-svoimi-rukami.html
  • https://zewerok.ru/generator-van-de-graafa/
  • https://www.syl.ru/article/467939/generator-van-de-graafa-svoimi-rukami-opisanie-i-printsip-rabotyi
  • https://altenergiya.ru/novosti/generator-van-de-graafa-princip-dejstviya-i-instrukciya-po-sborke-svoimi-rukami.html

Оцените статью
Первый по мебели
Adblock
detector