Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о машине для накопления электрического заряда на металлическом глобусе. Для группы прогрессивного рока см Van der Graaf Generator .
Генератор Ван де Граафа
Большая металлическая сфера поддерживается на прозрачной пластиковой колонне, внутри которой отчетливо виден резиновый ремень: меньшая сфера поддерживается на металлическом стержне. Оба смонтированы на опорную плиту, на которой находится небольшой электрический двигатель вождения.
Маленький генератор Ван де Граафа, используемый в естественнонаучном образовании
ИспользуетУскорение электронов для стерилизации продуктов питания и технологических материалов, ускорение протонов для экспериментов по ядерной физике , получение энергичных рентгеновских лучей в ядерной медицине , физическом образовании, развлечениях
ИзобретательРоберт Дж. Ван де Грааф
Похожие материалылинейный ускоритель частиц

Ван - де - Граафа генератор представляет собой электростатический генератор , который использует движущуюся ленту , чтобы накапливать электрический заряд на полой металлической шар на верхней части изолированной колонны, создавая очень высокие электрические потенциалы . Он производит электричество постоянного тока очень высокого напряжения (DC) при низких уровнях тока. Он был изобретен американским физиком Грааф в 1929 году [1] The разность потенциаловдостигаемая современными генераторами Ван де Граафа может достигать 5 мегавольт. Настольная версия может вырабатывать порядка 100 000 вольт и может хранить достаточно энергии, чтобы произвести видимую искру. Маленькие машины Ван де Граафа производятся для развлечения, а для обучения физике - электростатике ; более крупные выставлены в некоторых научных музеях .

Генератор Ван де Граафа был разработан как ускоритель элементарных частиц для физических исследований; его высокий потенциал используется для ускорения субатомных частиц до больших скоростей в откачанной трубке. Это был самый мощный тип ускорителей 1930-х годов, пока не был разработан циклотрон . Генераторы Ван де Граафа до сих пор используются в качестве ускорителей для генерации энергичных частиц и рентгеновских лучей для ядерных исследований и ядерной медицины .

Ускорители Ван де Граафа с пучком частиц часто используются в « тандемной » конфигурации: сначала отрицательно заряженные ионы инжектируются с одного конца в сторону вывода с высоким потенциалом, где они ускоряются силой притяжения в направлении вывода. Когда частицы достигают терминала, они лишаются некоторых электронов, чтобы сделать их положительно заряженными, и впоследствии ускоряются силами отталкивания от терминала. Эта конфигурация приводит к двум ускорениям по цене одного генератора Ван де Граафа и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что сложная аппаратура источника ионов остается доступной вблизи потенциала земли.

Напряжение, создаваемое установкой Ван де Граафа под открытым небом, ограничено дуговым разрядом и коронным разрядом примерно до 5 мегавольт. Большинство современных промышленных машин заключены в резервуар с изоляционным газом под давлением; они могут достигать потенциалов около 25 мегавольт.

Описание [ править ]

Схема генератора Ван де Граафа
Искра от самого большого в мире генератора Ван де Граафа с воздушной изоляцией в Музее науки в Бостоне , штат Массачусетс.

Простой генератор Ван де Граафа состоит из ремня из резины (или аналогичного гибкого диэлектрического материала), перемещающегося по двум роликам из разного материала, один из которых окружен полой металлической сферой. Два электрода (2) и (7) в виде гребневидных рядов с острыми металлическими наконечниками расположены рядом с нижней частью нижнего ролика и внутри сферы над верхним роликом. Гребень (2) подсоединен к сфере, а гребень (7) - к земле. Метод зарядки основан на трибоэлектрическом эффекте., такой, что простой контакт разнородных материалов вызывает перенос некоторых электронов от одного материала к другому. Например (см. Диаграмму), резина ремня будет заряжена отрицательно, а акриловое стекло верхнего ролика - положительно. Ремень уносит отрицательный заряд на своей внутренней поверхности, а верхний ролик накапливает положительный заряд. Затем сильное электрическое поле, окружающее положительный верхний ролик (3), индуцирует очень сильное электрическое поле около точек ближайшей гребенки (2). В точках поле становится достаточно сильным, чтобы ионизировать молекулы воздуха, и электроны притягиваются к внешней стороне ремня, а положительные ионы направляются к гребенке. На гребне (2) они нейтрализуются электронами, находившимися на гребне,таким образом оставляя гребенку и прикрепленную внешнюю оболочку (1) с меньшим количеством чистых электронов. По принципу, проиллюстрированному вЭксперимент с ведром Фарадея , т.е. по закону Гаусса , избыточный положительный заряд накапливается на внешней поверхности внешней оболочки (1), не оставляя поля внутри оболочки. Электростатическая индукция этим методом продолжается, накапливая очень большие количества заряда на оболочке.

В этом примере нижний ролик (6) выполнен из металла, который снимает отрицательный заряд с внутренней поверхности ремня. Нижний гребень (7) создает сильное электрическое поле в своих точках, которое также становится достаточно большим для ионизации молекул воздуха. В этом случае электроны притягиваются к гребенке, а положительные ионы воздуха нейтрализуют отрицательный заряд на внешней поверхности ремня или прикрепляются к ремню. Точный баланс зарядов на восходящей и нисходящей сторонах ленты будет зависеть от комбинации используемых материалов. В этом примере лента, движущаяся вверх, должна быть более положительной, чем лента, движущаяся вниз. По мере того, как лента продолжает двигаться, через нее проходит постоянный «зарядный ток», и сфера продолжает накапливать положительный заряд до тех пор, пока этот заряд не будет теряться (из-за утечки икоронные разряды ) равняется зарядному току. Чем больше сфера и чем дальше она от земли, тем выше будет ее пиковый потенциал. В этом примере жезл с металлической сферой (8) заземлен, как и нижний гребень (7); электроны вытягиваются от земли из-за притяжения положительной сферой, и когда электрическое поле достаточно велико (см. ниже), воздух разрывается в виде искры электрического разряда (9). Поскольку материал ленты и роликов может быть выбран, накопленный заряд на полой металлической сфере может быть положительным (дефицит электронов) или отрицательным (избыток электронов).

Описанный выше фрикционный генератор проще построить для научных выставок или самодельных проектов, так как он не требует источника высокого напряжения. Более высокие потенциалы могут быть получены с помощью альтернативных конструкций (не обсуждаемых здесь), в которых источники высокого напряжения используются в верхнем и / или нижнем положениях ленты для более эффективной передачи заряда на ленту и с нее.

Для работы терминал генератора Ван де Граафа не обязательно должен иметь сферическую форму, и на самом деле оптимальная форма - это сфера с изгибом внутрь вокруг отверстия, в которое входит ремень. Закругленная клемма минимизирует электрическое поле вокруг нее, позволяя достичь больших потенциалов без ионизации воздуха или другого диэлектрического газа., окружающие. Вне сферы электрическое поле становится очень сильным, и приложение зарядов непосредственно извне вскоре будет предотвращено полем. Поскольку электрически заряженные проводники не имеют внутри электрического поля, заряды могут добавляться непрерывно изнутри, не увеличивая их до полного потенциала внешней оболочки. Поскольку генератор Ван де Граафа может подавать такой же небольшой ток практически при любом уровне электрического потенциала, он является примером почти идеального источника тока .

Максимально достижимый потенциал примерно равен радиусу сферы R, умноженному на электрическое поле E max, при котором в окружающем газе начинают формироваться коронные разряды. Для воздуха при стандартной температуре и давлении ( STP ) поле пробоя составляет около 30 кВ / см. Следовательно, можно ожидать, что полированный сферический электрод диаметром 30 см будет развивать максимальное напряжение V max = R · E max около 450 кВ. Это объясняет, почему генераторы Ван де Граафа часто изготавливаются с максимально возможным диаметром.

Со снятым верхним выводом в форме сосиски
Гребешковый электрод внизу, который накапливает заряд на ремне
Сверху гребенчатый электрод, снимающий заряд с ремня

История [ править ]

Westinghouse Atom Smasher , 5 МэВ генератор Ван де Граафа , построенный в 1937 году Westinghouse Electric компании в Форест - Хиллс, штат Пенсильвания
Этот генератор Ван де Граафа первого венгерского линейного ускорителя частиц достиг 700 кВ в 1951 году и 1000 кВ в 1952 году.
Ускоритель частиц Ван де Граафа в резервуаре под давлением в Университете Пьера и Марии Кюри , Париж

Концепция электростатического генератора, в котором заряд механически переносится в небольших количествах внутрь высоковольтного электрода, возникла с помощью капельницы воды Кельвина , изобретенной в 1867 году Уильямом Томсоном (лорд Кельвин) [2], в которой заряженные капли вода попадает в ведро с той же полярностью заряда, прибавляя к заряду. [3] В машине этого типа сила тяжести перемещает капли против противоположного электростатического поля ковша. Сам Кельвин сначала предложил использовать пояс для переноса заряда вместо воды. Первая электростатическая машина, которая использовала бесконечный ремень для переноса заряда, была построена в 1872 году Аугусто Риги .[1] [3] В качественосителей зарядаиспользовалась индийская резиновая лента с проволочными кольцами по всей длине, которая проходила в сферический металлический электрод. Заряд наносился на ленту с заземленного нижнего ролика за счет электростатической индукции с помощью заряженной пластины. Джон Грей также изобрел ленточную машину около 1890 года. [3] Другая более сложная ленточная машина была изобретена в 1903 году Хуаном Бурбоа [1] [4] Более непосредственным источником вдохновения для Ван де Граафа стал генератор, который WFG Swann разработал в 1920-х годах в Этот заряд переносился на электрод падающими металлическими шариками, возвращаясь, таким образом, к принципу капельницы воды Кельвина. [1] [5]

Причина того, что заряд, извлеченный из ленты, перемещается за пределы сферического электрода, хотя он уже имеет высокий заряд той же полярности, объясняется экспериментом Фарадея с ведром со льдом . [6]

Генератор Ван де Граафа был разработан, начиная с 1929 года, физиком Робертом Дж. Ван де Грааффом из Принстонского университета при участии коллеги Николаса Берка. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года [ править ] [7] первую машина используется обычная консервная банка, небольшой двигатель, и шелковая лента купили на пять с десятью центов магазина . После этого он пошел к председателю физического факультета и попросил 100 долларов на создание улучшенной версии. Он с трудом получил деньги. К 1931 году он мог сообщить о достижении 1,5 миллиона вольт, заявив: «Устройство простое, недорогое и портативное. Единственное необходимое питание обеспечивает обычная розетка для лампы». [8] [9]Согласно заявке на патент, он имел две сферы накопления заряда диаметром 60 см, установленные на колоннах из боросиликатного стекла высотой 180 см; в 1931 году аппарат стоил всего 90 долларов. [10] [ требуется полная ссылка ]

Ван де Грааф подал заявку на второй патент в декабре 1931 года, который был передан Массачусетскому технологическому институту в обмен на долю чистого дохода; позже был выдан патент. [ необходима цитата ]

В 1933 году Ван де Грааф построил 12-метровую модель на заводе Массачусетского технологического института в Раунд-Хилл , которую пожертвовал полковник Эдвард Х. Р. Грин . [ необходима цитата ]

В одном из ускорителей Ван де Граафа использовались два заряженных купола достаточного размера, чтобы внутри каждого из куполов были лаборатории - один для обеспечения источника ускоренного пучка, а другой для анализа фактического эксперимента. Электропитание для оборудования внутри куполов было от генераторов, которые работали на ленте, и несколько сеансов закончились довольно ужасно, когда голубь попытался пролететь между двумя куполами, заставив их разрядиться. (Ускоритель был установлен в ангаре самолета.) [ Необходима цитата ]

В течение 1937 года компания Westinghouse Electric построила 20-метровую машину Westinghouse Atom Smasher, способную генерировать 5 МэВ в Форест-Хиллз, штат Пенсильвания . Это положило начало ядерным исследованиям в гражданских целях. [11] [12] Он был выведен из эксплуатации в 1958 году и снесен в 2015 году. [13]

Более поздней разработкой является тандемный ускоритель Ван-де-Граафа, содержащий один или несколько генераторов Ван-де-Граафа, в которых отрицательно заряженные ионы ускоряются через одну разность потенциалов до того, как лишатся двух или более электронов внутри высоковольтного терминала и ускоряются. опять таки. Пример трехступенчатой ​​работы был построен в Оксфордской ядерной лаборатории в 1964 году из несимметричного «инжектора» на 10 МВ и тандема EN 6 МВ. [14] [ необходима страница ]

К 1970-м годам можно было достичь 14 миллионов вольт на выходе тандема, в котором использовался резервуар с гексафторидом серы (SF 6 ) под высоким давлением для предотвращения искрения за счет захвата электронов. Это позволило генерировать пучки тяжелых ионов в несколько десятков мегаэлектронвольт, достаточные для изучения прямых ядерных реакций легких ионов. Наибольший потенциал, поддерживаемый ускорителем Ван де Граафа, составляет 25,5 МВ, достигнутый тандемом на установке пучка радиоактивных ионов Холифилда в Национальной лаборатории Ок-Ридж . [15]

Дальнейшим развитием является пеллетрон , в котором резиновая или тканевая лента заменена цепочкой коротких проводящих стержней, соединенных изолирующими звеньями, а электроды ионизации воздуха заменены заземленным роликом и электродом индукционной зарядки. Цепь может работать с гораздо большей скоростью, чем ремень, а достигаемые как напряжение, так и токи намного больше, чем у обычного генератора Ван де Граафа. Ускоритель тяжелых ионов 14 UD в Австралийском национальном университете содержит пеллетрон на 15 миллионов вольт. Его цепи имеют длину более 20 метров и могут двигаться со скоростью более 50 километров в час (31 миль в час). [16]

Установка ядерной структуры (NSF) в лаборатории Дарсберибыла предложена в 1970-х годах, введена в эксплуатацию в 1981 году и открыта для экспериментов в 1983 году. Она состояла из тандемного генератора Ван де Граафа, работающего обычно на 20 МВ и размещенного в необычном здании высотой 70 метров. За время своего существования он ускорил 80 различных ионных пучков для экспериментального использования, от протонов до урана. Особенностью была возможность ускорять редкие изотопные и радиоактивные пучки. Возможно, самым важным открытием, сделанным с использованием NSF, было открытие супердеформированных ядер. Эти ядра, образованные в результате слияния более легких элементов, очень быстро вращаются. Характер гамма-лучей, излучаемых при замедлении, дал подробную информацию о внутренней структуре ядра. После финансовых сокращений NSF закрылся в 1993 году [17] [ необходима проверка]

Развлекательные и образовательные генераторы [ править ]

Женщина касается генератора Ван де Граафа в Американском музее науки и энергетики . Заряженные пряди волос отталкиваются друг от друга и выделяются из ее головы.
Образовательная программа в Театре электричества Бостонского музея науки демонстрирует самый большой в мире генератор Ван де Граафа с воздушной изоляцией, построенный Ван де Граафом в 1930-х годах.

Самый большой в мире генератор Ван де Граафа с воздушной изоляцией, построенный доктором Ван де Граафф в 1930-х годах, теперь постоянно экспонируется в Бостонском музее науки . С двумя соединенными 4,5 м (15 футов) алюминиевыми сферами, стоящими на колоннах высотой 22 фута (6,7 м), этот генератор часто может получить 2 МВ (2 миллиона вольт ). Шоу с использованием генератора Ван де Граафа и нескольких катушек Тесла проводятся два-три раза в день. Во многих научных музеях, таких как Американский музей науки и энергетики , выставлены небольшие генераторы Ван де Граафа, которые используют их статические свойства для создания «молний» или пробудить волосы у людей. Генераторы Ван де Граафа также используются в школах и научных выставках.

Сравнение с другими электростатическими генераторами [ править ]

Другие электростатические машины, такие как машина Вимшерста или машина Бонетти, работают аналогично Van De Graaff; Заряд переносится перемещением пластин, дисков или цилиндров к высоковольтному электроду. Однако для этих генераторов коронный разряд от открытых металлических частей при высоких потенциалах и плохой изоляции приводит к меньшим напряжениям. В электростатическом генераторе скорость переносимого заряда ( ток) к высоковольтному электроду очень мало. После запуска машины напряжение на оконечном электроде увеличивается до тех пор, пока ток утечки из электрода не сравняется со скоростью переноса заряда. Таким образом, утечка с клеммы определяет максимально достижимое напряжение. В генераторе Ван де Граафа ремень позволяет переносить заряд внутрь большого полого сферического электрода. Это идеальная форма для минимизации утечки и коронного разряда, поэтому генератор Ван де Граафа может генерировать максимальное напряжение. Вот почему конструкция Ван де Граафа использовалась для всех электростатических ускорителей частиц. Как правило, чем больше диаметр и чем более гладкая сфера, тем более высокое напряжение может быть достигнуто. [18] [ требуется проверка ][ нужен лучший источник ]

Патенты [ править ]

  • Патент США 1 991 236 - « Электростатический генератор ».
  • Патент США 2 922 905 - « Устройство для уменьшения электронной нагрузки в ускорителях положительных ионов ».

См. Также [ править ]

  • Роберт Дж. Ван де Грааф
  • Электростатическая индукция  - распространение электрического заряда из-за наличия других зарядов
  • Электростатическая левитация
  • Клетка Фарадея
  • Трибоэлектрический эффект
  • Высокое напряжение
  • Атомный сокрушитель Westinghouse
  • Катушка Тесла  - схема электрического резонансного трансформатора, изобретенная Николой Тесла
  • Катушка Удина

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Ван де Грааф, RJ; Комптон, КТ; Ван Атта, LC (февраль 1933 г.). «Электростатическое производство высокого напряжения для ядерных исследований» (PDF) . Физический обзор . 43 (3): 149–157. Bibcode : 1933PhRv ... 43..149V . DOI : 10.1103 / PhysRev.43.149 . Проверено 31 августа 2015 года .
  2. ^ Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «О самодействующем устройстве для умножения и поддержания электрических зарядов с приложениями к теории Вольта» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Серия 4. 34 (231): 391–396 . Проверено 1 сентября 2015 года .
  3. ^ a b c Грей, Джон (1890). Машины электрического воздействия . Лондон: Whittaker and Co., стр. 187–190.
  4. ^ Патент США № 776997, Хуан Г. Х. Бурбоа Статическая электрическая машина , подана: 13 августа 1903 г., предоставлена: 6 декабря 1904 г.
  5. ^ Swann, WFG (1928). «Устройство для получения высоких потенциалов». Журнал Института Франклина . 205 : 828.
  6. ^ Янг, Хью Д .; Фридман, Роджер А. (2012). Университетская физика, 13-е изд . Pearson Education, Inc., стр. 742–743. ISBN 978-0321696861.
  7. ^ "Институт химии - Еврейский университет Иерусалима" . Архивировано из оригинала на 2006-09-04 . Проверено 31 августа 2006 .
  8. ^ ван де Грааф, RJ (1931-11-15). «Протокол собрания в Скенектади 10, 11 и 12 сентября 1931 года: электростатический генератор на 1500000 вольт». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 38 (10): 1919–1920. DOI : 10.1103 / Physrev.38.1915 . ISSN 0031-899X . 
  9. ^ Времена Нильса Бора , Abraham Pais, Oxford University Press, 1991, pp.378-379
  10. ^ «Генератор Ван де Граафа», в «Справочнике по электротехнике», (ред.), CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, США, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 
  11. ^ Токер, Франклин (2009). Питтсбург: новый портрет . п. 470. ISBN 9780822943716.
  12. ^ "Ускоритель частиц Ван де Граафа, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Питтсбург, Пенсильвания, 7 августа 1945 года" . Изучите историю PA . WITF-TV . Проверено 19 февраля 2015 года .
  13. ↑ О'Нил, Брайан (25 января 2015 г.). «Брайан О'Нил: С падением сокрушителя атома в Форест-Хиллз часть истории рушится» . Pittsburgh Post-Gazette .
  14. ^ J. Takacs, энергия стабилизация электростатических ускорителей , John Wiley и Sons, Чичестер, 1996
  15. ^ "Американское Физическое Общество называет историческое место физики объекта Холифилда ORNL" . Национальная лаборатория Окриджа.
  16. ^ "Ускоритель частиц" .
  17. ^ JS Lilley 1982 Phys. Scr. 25 435-442 DOI : 10,1088 / 0031-8949 / 25/3/001 )
  18. ^ "Электростатическая машина Бонетти" . www.coe.ufrj.br . Проверено 14 сентября 2010 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Описание создания собственного генератора на сайте howstuffworks.com
  • Интерактивное руководство по Java - Национальная лаборатория сильных магнитных полей по генератору Ван де Граафа
  • Ускоритель Ван де Граафа Университет Западного Мичигана
  • Огромная машина доктора Ван де Граафа в Музее науки
  • Часто задаваемые вопросы о генераторе Ван де Граафа
  • Иллюстрация из отчета о генераторе Ван де Граафа из «Отчета о ходе разработки высоковольтного генератора Массачусетского технологического института в Раунд-Хилле»
  • Никола Тесла , " Возможности электростатических генераторов DOC ". Scientific American, март 1934 г. (формат .doc)
  • Паоло Бренни, Генератор Ван де Граафа - электростатическая машина для XX века Бюллетень Общества научных приборов № 63 (1999)
  • Шарье Жак « Генерал Ван де Граафа ». Faculté des Sciences de Nantes.
  • Хеллборг, Рагнар, изд. Электростатические ускорители: основы и приложения [NY, NY: Springer, 2005]. Доступно в Интернете по адресу: https://books.google.com/books?id=tc6CEuIV1jEC&pg=PA51&lpg=PA51&dq=electrostatic+accelerator+book&source=web&ots=Qa0DbmiZJt&sig=bLoYaz_VUpBr4#PBr7-Wv4
  • Американское физическое общество назвало объект ORNL Holifield Facility историческим физическим объектом