Генератор Ван де Граафа

Миниатюрный генератор Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускорителя. На нём было получено напряжение 1 МВ в 1952 году.

Физический принцип работы генератора Ван де Граафа до сих пор окончательно не выяснен, а имеется лишь техническая схема такого генератора. Нет и расчётных соотношений, которые дают возможность рассчитать параметры такого генератора. Генератор Ван де Граафа это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 миллион и 7 миллионов вольт соответственно Генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты 4, вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высоковольтного напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому ролику 6 и оседают на ленте. Движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом, на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы. Современные генераторы Ван де Граафа вместо лент используют цепи, состоящие из чередующихся металлических и пластиковых звеньев, которые называются пеллетронами.

  К сожалению, приведенная схема генератора является лишь работоспособной технической схемой, а физический принцип её действия до сих пор не выяснены. Например, непонятно, какие причины вызывают увеличение потенциала зарядов, расположенных на ленте, при её движение вдоль определённого направления. Неясно также будет ли функционировать генератор, если движущуюся ленту расположить горизонтально земной поверхности. Непонятно также, каким способом может быть изменена полярность генератора. А поскольку ни физическая, ни математическая модель генератора до конца не разработана, то его совершенствование может проводиться только методом проб и ошибок. С этим и связано то обстоятельство, что со времён изобретения генератора Ван де Граафа его конструкция практически не изменилась.

Принцип действия

Схема генератора, см. пояснения в тексте

Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 на рисунке «Схема генератора»), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высоковольтного напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.

Современные генераторы Ван де Граафа вместо лент используют цепи, состоящие из чередующихся металлических и пластиковых звеньев, и называются пеллетронами.

Применение

Исторически изначально генераторы Ван де Граафа применялись в ядерных исследованиях для ускорения различных заряженных частиц. В настоящее время их роль в ядерных исследованиях уменьшилась по мере развития иных способов ускорения частиц.

Они продолжают использоваться для моделирования процессов, происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле.

В литературе

В романе Е. Л. Войскунского и И. Б. Лукодьянова «Экипаж Меконга» генератор Ван де Граафа используется для придания свойства проницаемости твёрдым телам. В романе братьев Стругацких "Понедельник начинается в Субботу", генератор Ван де Граафа служит метафорическим сравнением для дистиллятора детского смеха.

Фото

• 
  Генератор Ван де Граафа
• 
  Генератор без металлической сферы
• 
  Верхний ролик и расчески
• 
  Нижний ролик и расчески

См. также

• Пеллетрон
• Электрофорная машина
• Генератор Маркса
• Генератор Фитча — Хауэлла
• Генератор Кокрофта — Уолтона
• Катушка Румкорфа
• Капельница Кельвина
• Van der Graaf Generator (английская прогрессив-рок группа)