Генератора Ван де Граафа

Одним из интересных высоковольтных устройств является генератор Ван де Граафа, прибор, создающий высокую разность потенциалов за счёт электризации диэлектрической ленты, движущейся по двум роликам. В зависимости от масштаба устройства варьируется и максимальное напряжение, оно может составлять от нескольких десятков киловольт для небольших настольных генераторов и заканчивая миллионами вольт для больших устройств, которые могут использоваться в научных и демонстрационных целях. С помощью генератора Ван де Граафа возможно проводить множество зрелищных экспериментов, например, наблюдать, как мелкие конфетти разлетаются вверх от воздействия электрических сил или волосы человека встают вверх «дыбом», если определённым образом соединить тело человека с разрядником. Для сборки генератора не понадобится каких-либо специфичных деталей – всё можно либо найти дома, либо купить в ближайших строительных магазинах. Общая схема генератора показана ниже.

https://padlet.com/uzaitsev/padlet-gz0uxi92gfsr0y66

Принцип действия генератора Ван де Граафа очень похож на принцип работы машины Вимсхурста, но вместо вращающихся дисков в ней используется движущийся ремень на двух шкивах.

Рисунок 2: Машина Вимсхурста

 

Ремень электризуется от трения о нижний шкив (в больших машинах на него подают дополнительно напряжение от высоковольтного источника, в маленьких хватает трения), а на верхнем конце ремня заряд снимается и накапливается на поверхности шара. Большие генераторы Ван де Граафа способны развивать напряжения в миллионы вольт и имеют в высоту несколько метров.

 

Изготовление Генератора Ван де Граафа

Конструктивно генератор представляет собой трубу, внутри которой вращается диэлектрическая лента. Два ролика, вверху и внизу трубы, обеспечивают нужное натяжение ленты, нижний ролик также является приводным и соединяется с валом двигателя, который будет раскручивать ленту. В верхней части трубы закреплена массивная металлическая сфера, которая будет являться накопителем заряда. Форма сферы подходит для этой цели лучшим образом, ведь она не имеет никаких острых выступов, а потому будет наиболее эффективно накапливаться заряд: острые выступы могут приводить к возникновению коронного разряда, через который стекает накопленный заряд. Для изготовления простого домашнего генератора в качестве сферы можно будет использовать рассеиватель от светодиодной лампочки, в качестве ленты идеально подойдёт кровоостанавливающий жгут из аптеки или лента для гимнастики, ролики можно вырезать, например, из дерева, пеноплекса, напечатать на 3Д-принтере, либо разобрать малярный валик.

В качестве трубы-корпуса отлично подойдёт канализационная труба диаметром 4–6 см. Приводить в движение ленту можно с помощью шуруповёрта, если он имеет большие обороты, либо с помощью различных достаточно мощных моторов от игрушек или радиоуправляемых моделей. Сборка начинается с поиска подходящих компонентов.

Итак, первое, что нужно сделать, это собрать все необходимые компоненты. Они включают в себя:

·       немного провода трёх видов

·       полметра 5-сантиметровой канализационной трубы

·       рассеиватель от светодиодной лампочки

·       обрезок доски для основания

·       двенадцативольтовый электрический мотор

·       пара металлических осей

·       держатель ПВХ-труб для крепления мотора

·       клеевой пистолет

·       шуруповерт

·       3-4 мм сверла

·       отрицательный электрод с шариком на одном из концов

·       термоусадочная трубка

·       паяльник и немного припоя и флюса

·       пару шурупов, длинный и короткий

·       усиливающая резинка для фитнеса

Рисунок 3: Генератор Ван де Граафа в процессе сбоки

 

При использовании канализационной трубы диаметром 11 см оптимальная высота конструкции будет составлять около 0.5 метра. Вся конструкция будет устанавливаться на подставку из обрезка доски.

Рисунок 4: ПВХ-труба – несущая конструкция генератора Ван де Граафа

 

В качестве двигателя для вращения ленты я использую приводной узел от радиоуправляемой машинки,

Рисунок 6: Двенадцативольтовый электромотор от радиоуправляемой машинки

 

Как показала практика, достаточно одного мотора – несмотря на небольшие размеры, такие моторы имеют приличную мощность и легко крутят всю ленту внутри корпуса.

Рисунок 7: Резинка для фитнеса

 

Мотор устанавливается на основание используя держатель для ПВХ-труб и короткий шуруп.

Предпочтительнее использовать для питания двигателя в генераторе Ван де Граафа аккумуляторные источники питания, никак не связанные с сетью, даже через трансформаторную гальваническую развязку.

Рисунок 8: Нижний приводящий ролик

 

Нижний приводящий ролик мы напечатали на 3Д-принтере. Обратите внимание, что форма должна быть именно бочкообразной, с небольшим плавным утолщением посередине – если вал будет полностью ровным, лента будет то и дело соскакивать.

Немалую роль в постройке генератора играет материал валиков – нижний должен быть металлическим, а верхний – пластиковым. При этом делать нижний вал цельнометаллическим не обязательно, достаточно покрыть его сверху проводящей фольгой, эта фольга также должна электрически соединяться с валом, на котором сидит ролик.

Рисунок 9: Верхний ролик

 

Верхний ролик мы взяли готовый из корпуса фломастера. Ролик аналогично нижнему устанавливается на шпильку, которая устанавливается на верхнюю часть трубы.

Ленту для фитнеса нам удалось купить в магазине «Ашан» в отделе спортивных принадлежностей

Следующая часть генератора – щётки, через которые заряд будет «наносится» на ленту и «стекать» с неё в верхнюю металлическую сферу. Щётки рекомендую сделать из отрезка многожильного кабеля, который оголяется от изоляции, распушается и припаивается на текстолитовые пластинки. Изготовить следует две такие щётки, на нижний ролик и на верхний. Нижняя щётка будет соединяться с нижним роликом и подключаться к заземлению, а верхняя будет подключена к металлической сфере.

Рисунок 10: Щетка для съёма зарядов

 

Устанавливаются щётки непосредственно возле роликов вверху и внизу, расстояние от ленты до кончиков щёток должно быть минимально возможным, но при этом лента не должна их задевать.

Верхняя сфера – в нашем случае это рассеиватель от светодиодной лампочки, обёрнутый изнутри и снаружи пищевой алюминиевой фольгой. Торчащий отрезок проволоки соединён со щёткой, он будет обеспечивать её контакт со сферой.

Рисунок 11: Верхняя сфера и её контакт

 

В нижней части конструкции с помощью такого же кусочка проволоки обеспечивается контакт вала, ролика и щёлки с заземлением. Обратите внимание, что для работы генератора обязательно наличие хорошего заземления.

Рисунок 12: Зазамление

 

Следующий этап и финал - обклеиваем сгоревшую лампочку куском алюминиевой фольги. Ключевая роль алюминиевого проводника в обеспечении большего заряда для того, чтобы собрать его как можно больше. Потом к этой фольге на лампе подключаем верхний провод и нашу лампу-электрод вставляем на верх всей конструкции.

Теперь генератор готов к запуску. При включении будет возникать разность потенциалов между заземлением (нижний ролик) и верхней сферой. Нарастать она будет до тех пор, пока не возникнет электрический пробой по воздуху или трубе, либо пока скорость нарастания заряда не превысит скорость его «стекания» со сферы из-за коронных разрядов. Эффективность работы генератора сильно зависит от влажности воздуха – чем более влажный воздух, тем больше потерь на коронный разряд, соответственно меньшего напряжения получится достичь. Увеличить скорость нарастания заряда можно путём увеличения скорости вращения ленты, при этом увеличиваться также будет и максимальное напряжение генератора. Для того, чтобы разрядить сферу, следует приблизить к ней заземлённый металлический предмет. Если этот предмет будет иметь острые грани – заряд стечёт плавно в виде коронного разряда, который можно увидеть только в полной темноте. Если же предмет будет с плавными линиями, то при приближении его на определённое расстояние к сфере произойдёт электрический пробой воздуха с довольно громким звуком и вспышкой.

Рисунок 13: Отрицательный электрод – нашли в кабинете физики

 

При экспериментах с генератором следует быть осторожным несмотря на то, что он имеет крайне низкую мощность, импульсы напряжения в сотни киловольт могут причинить вред здоровью.

Теперь можно выполнять опыты со статическим электричеством. Остается лишь подключить систему к источнику питания, это может быть или батарея или же любой другой источник питания подходящего напряжения. Если конструкция собрана верно, к банке должны притягиваться кусочки бумаги, а на ощупь разряд тока чувствуется как легкое покалывание. Если этих явления не наблюдается, то возможно где-то допущена ошибка. Можно попробовать использовать другую резинку и проверить зазор контактов между ней.