Hvordan Van De Graaff Generatorer Arbejde

{h1}

Van de graaff generatorer er berømte for produktion af statisk elektricitet. Lær om van de graaff generatorer og find ud af, hvorfor van de graaff generatorer blev opfundet.

De fleste af os har set enheden, kendt som en Van de Graaff generator, der gør dit hår stå på ende. Enheden ligner en stor aluminiumskugle monteret på en piedestal, og du kan se dens effekt i det medfølgende billede.

Har du nogensinde spekuleret på, hvad denne enhed er, hvordan den virker, hvorfor den blev opfundet eller hvordan man kan bygge en selv? Det var sikkert ikke opfundet for at gøre folkets hårstand til sidst... Eller har du nogensinde blandet dine fødder over tæppet på en tør vinterdag og fået chok i dit liv, når du rørte ved noget metal? Har du nogensinde spekuleret på statisk elektricitet og statisk klamring?

Hvis nogen af ​​disse spørgsmål nogensinde har krydset dig, så gør dig klar til en god læsning. I denne udgave af WordsSideKick.com, vil vi diskutere Van de Graaff generatorer og statisk elektricitet generelt. Du vil endda lære at bygge din egen Van de Graaff generator!

Statisk elektricitet

For at forstå Van de Graaff-generatoren og hvordan den virker, skal du forstå statisk elektricitet. Næsten alle os er bekendt med statisk elektricitet, fordi vi kan se og føle det om vinteren. På tørre vinterdage kan statisk elektricitet opbygge i vores kroppe og forårsage en gnist at springe fra vores kroppe til stykker af metal eller andre folks kroppe. Vi kan se, føle og høre lyden af ​​gnisten, når den hopper.

I videnskabsklassen har du måske også lavet nogle eksperimenter med statisk elektricitet. Hvis du for eksempel gnider en glasstang med en silke klud eller hvis du gnider et stykke rav med uld, vil glas og rav udvikle en statisk ladning, der kan tiltrække små stykker papir eller plast.

For at forstå, hvad der sker, når din krop eller en glasstang udvikler en statisk ladning, skal du tænke på de atomer, der udgør alt, hvad vi kan se. Alt stof består af atomer, der selv består af ladede partikler. Atomer har en kerne bestående af neutroner og protoner. De har også en omkringliggende "shell", der består af elektroner. Typisk er materiel neutralt ladet, hvilket betyder at antallet af elektroner og protoner er de samme. Hvis et atom har flere elektroner end protoner, er det negativt ladet. Hvis det har flere protoner end elektroner, er det positivt ladet.

Nogle atomer holder fast på deres elektroner mere tæt, end andre gør. Hvor stærkt det betyder, at dets elektroner bestemmer sin plads i triboelektriske serier. Hvis et materiale er mere egnet til at opgive elektroner, når det kommer i kontakt med et andet materiale, er det mere positivt i den triboelektriske serie. Hvis et materiale er mere egnet til at "fange" elektroner, når det er i kontakt med et andet materiale, er det mere negativt i den triboelektriske serie.

Den følgende liste beskriver den triboelektriske serie for mange materialer, du finder rundt om i huset. Positive poster i serien er øverst, og negative poster er nederst:

  • Menneskelige hænder (normalt for fugtige) Meget positiv
  • Kaninpels
  • Glas
  • Menneskehår
  • nylon
  • Uld
  • Pels
  • At føre
  • Silke
  • Aluminium
  • Papir
  • Bomuld
  • Stål Neutral
  • Træ
  • Rav
  • Hårdt gummi
  • Nikkel, Kobber
  • Messing, Sølv
  • Guld, Platin
  • polyester
  • Styren (styrofoam)
  • Saran Wrap
  • Polyurethan
  • Polyethylen (som Scotch Tape)
  • Polypropylen
  • Vinyl (PVC)
  • Silicium
  • Teflon Meget negativ

(Ovenstående liste er tilpasset fra bogen Nature's Electricity af Charles K. Adams.)

Det relativ position af to stoffer i den triboelektriske serie fortæller dig, hvordan de vil reagere, når de bringes i berøring. Glas gnides af silke medfører en ladningsadskillelse, fordi de er adskillige stillinger fra hinanden i bordet. Det samme gælder for rav og uld. Jo længere adskillelsen i bordet er, jo større er effekten.

Når to ikke-ledende materialer kommer i kontakt med hinanden, en kemisk binding, kendt som adhæsion, er dannet mellem de to materialer. Afhængigt af materialernes triboelektriske egenskaber kan et materiale "fange" nogle af elektronerne fra det andet materiale. Hvis de to materialer nu er adskilt fra hinanden, a opkræve ubalance vil forekomme. Materialet, der erobret elektronen, er nu negativt ladet, og materialet, der tabte en elektron, er nu positivt ladet. Denne uligevægt er hvor "statisk elektricitet" kommer fra. Begrebet "statisk" er i denne sag vildledende, fordi det indebærer "ingen bevægelse", når det i virkeligheden er meget almindeligt og nødvendigt for at oplade ubalancer at strømme. Gnisten du føler, når du rører ved en dørknap er et eksempel på sådan strømning.

I næste afsnit ser vi på de mange faktorer, der påvirker størrelsen af ​​et statisk elektricitetschok.

Rødder

Ordet "elektron"på engelsk kommer fra det græske ord for rav!

Stødfaktorer

Du kan undre dig over, hvorfor du ikke ser gnister hver gang du løfter et stykke papir fra dit skrivebord. Beløbet afhænger af de involverede materialer og mængden af ​​overfladeareal, der forbinder dem. Mange overflader, når de ses med en forstørrelsesenhed, vises groft eller skævt. Hvis disse overflader blev udfladet for at muliggøre mere overfladekontakt, forekommer ladningen (spænding) ville helt sikkert stige.

En anden vigtig faktor i elektrostatikken er fugtighed. Hvis det er meget fugtigt, forbliver ubalancen for ladning ikke for en nyttig tid. Husk at fugtighed er måling af fugt i luften. Hvis fugtigheden er høj, belægger fugtig overfladen af ​​materialet, hvilket giver en lavmodstandsvej for elektronstrømmen.Denne vej tillader ladningerne at "rekombinere" og dermed neutralisere ladningsobalansen. Ligeledes, hvis det er meget tørt, kan en afgift opbygge ekstraordinære niveauer, op til titusinder af volt!

Tænk på det chok, du får på en tør vinterdag. Afhængigt af typen af ​​sål har dine sko og materialet på gulvet du går på, kan du opbygge nok spænding til at lade opladningen hoppe til dørknappen og dermed efterlade dig neutral. Du kan huske den gamle "statiske klamring" kommerciel. Tøj i tørretumbleren opbygger en elektrostatisk ladning. Tørretumbleren giver et lavt fugtighedsmiljø, der roterer, hvilket gør det muligt for tøjet løbende at kontakte og adskille fra hinanden. Afgiften kan nemt være høj nok til at få materialet til at tiltrække og "holde" til modsat ladede overflader (din krop eller andet tøj, i dette tilfælde). En metode du kan bruge til at fjerne "statisk" ville være at tåle tøjet lidt med lidt vand. Her igen tillader vandet ladningen at lække væk, således at materialet er neutral.

Det skal bemærkes, at når snavs er i luften, vil luften bryde ned meget lettere i et elektrisk felt. Dette betyder, at snavset gør det lettere for ion at blive ioniseret. Ioniseret luft er faktisk luft, der er blevet fjernet af dets elektroner. Når dette sker, siges det at være plasma, som er en ret god dirigent. Generelt øger tilførsel af urenheder til luft dens ledningsevne. At have urenheder i luften har samme virkning som at have fugt i luften. Hverken tilstand er overhovedet ønskelig for elektrostatik. Tilstedeværelsen af ​​disse urenheder i luften betyder normalt, at de også er på de materialer, du bruger. Luftforholdene er en god måling for dine materielle forhold - materialerne vil generelt bryde ned som luft, kun meget tidligere.

Det er ikke friktion

Elektrostatiske ladninger skyldes ikke friktion. Mange antager, at dette er tilfældet. At gnide en ballon på hovedet eller trække dine fødder på gulvtæppet vil opbygge et gebyr. Elektrostatik og friktion er relateret, fordi de begge er produkter af adhæsion. Gnidningsmaterialer sammen kan øge den elektrostatiske ladning, fordi mere overfladeareal bliver kontaktet, men friktion i sig selv har intet at gøre med ladningen.

Generatoren

Hvordan van de graaff generatorer arbejde: generatorer

Hvordan van de graaff generatorer arbejde: rulle

Nu hvor du forstår noget om elektrostatik og statisk elektricitet, er det let at forstå formålet med Van de Graaff-generatoren. En Van de Graaff generator er en enhed designet til at skabe statisk elektricitet og gøre den tilgængelig til eksperimentering.

Den amerikanske fysiker Robert Jemison Van de Graaff opfandt Van de Graaff-generatoren i 1931. Enheden, der bærer hans navn, har evnen til at producere ekstremt høje spændinger - så højt som 20 millioner volt. Van de Graaff opfandt generatoren for at levere den høje energi, der var nødvendigt for tidligt partikelacceleratorer. Disse acceleratorer var kendt som atommaskere fordi de accelererede subatomære partikler til meget høje hastigheder og derefter "smadrede" dem ind i målatomer. De resulterende kollisioner skabte andre subatomære partikler og høj energi stråling som røntgenstråler. Evnen til at skabe disse høje energikollisioner er fundamentet for partikel- og atomfysik.

Van de Graaff generatorer er beskrevet som "konstant strøm"elektrostatiske enheder. Når du lægger en belastning på en Van de Graaff generator, forbliver strømmen (strømstyrken) den samme. Det er den spænding, der varierer med belastningen. For Van de Graaff-generatoren, når du nærmer dig udgangsterminalen (sfære) med en jordforbindelse vil spændingen falde, men strømmen forbliver den samme. Omvendt er batterier kendt som "konstant spænding" enheder, fordi når du lægger en belastning på dem, forbliver spændingen den samme. Et godt eksempel er dit bilbatteri. Et fuldt opladet bilbatteri vil producere ca. 12,75 volt. Hvis du tænder forlygterne og derefter kontrollerer batterispændingen, vil du se, at den forbliver relativt uændret (hvis dit batteri er sundt). Samtidig varierer strømmen med belastningen. For eksempel kan dit forlygter kræve 10 ampere, men dine vindusviskere kan kun kræve 4 ampere. Uanset hvilken du tænder, forbliver spændingen den samme.

Der er to typer Van de Graaff generatorer: en der bruger en højspændings strømforsyning til opladning og en, der bruger bælter og ruller til opladning. Her diskuteres bælter og ruller.

Denne type Van de Graaff generator består af:

  • EN motor
  • To ruller
  • EN bælte
  • To børsteaggregater
  • en output terminal (sædvanligvis et metal- eller aluminiumskugle)

Når motoren er tændt, begynder den nederste rulle (oplader) at dreje bæltet. Da bæltet er lavet af gummi og den nederste rulle er dækket af siliciumtape, begynder den nederste rulle at bygge en negativ ladning, og bæltet opbygger en positiv ladning. Du kan forstå, hvorfor denne ubalance opstår ved at se på den triboelektriske serie: Silikone er mere negativ end gummi; Derfor vælger den nedre rulle elektroner fra bæltet, når det passerer over rullen.

I næste afsnit ser vi på, hvordan opladningen er koncentreret.

Concentration of Charge

Det er vigtigt at indse, at ladningen på rullen er meget mere koncentreret end ladningen på bæltet. På grund af dette koncentration af ladning, rullens elektriske felt er meget stærkere end bæltet på placeringen af ​​rullen og den nedre børsteenhed. Den stærke negative ladning fra rullen begynder nu at gøre to ting:

  1. Det afstøder elektronerne nær spidsen af ​​den nedre børsteenhed. Metaller er gode ledere fordi de i grunden er positive atomer omgivet af let bevægelige elektroner.Børsteaggregatet har nu ledningstip, der er positivt opladet, fordi elektronerne har flyttet væk fra spidserne, mod forbindelsen på motorhuset.
  2. Det begynder at strippe nærliggende luftmolekyler af deres elektroner. Når et atom fjernes fra dets elektroner, siges det at være plasma, den fjerde tilstand af materie. Så vi har fri elektroner og positivt ladede atomer af luft, der eksisterer mellem rullen og børsten. Elektronerne afstammer fra rullen og tiltrækker de elektronløse børstetip, mens de positive atomer tiltrækker den negativt ladede rulle.

De positivt ladede atomkerner fra luftmolekylerne forsøger at bevæge sig mod den negativt ladede rulle, men bæltet er i vejen. Så nu bliver bæltet "belagt" med den positive ladning, som den så bærer væk fra rullen.

Så længe der er luft mellem den nederste rulle og børsteenheden, fortsætter Van de Graaff-generatoren med at oplade bæltet. Teoretisk kan Van de Graaff-generatoren fortsætte med at oplade for evigt. Uheldigvis vil snavs og andre urenheder i omgivelserne begrænse den faktiske ladning, som udvikler sig på kuglen.

Lad os vende tilbage til bæltet. Bæltet, som vi forlod det, er positivt ladet og rullende mod den øvre rulle og den øvre børsteenhed. Da jeg brugte nylon til min øvre rulle, vil den afvise ladningen på bæltet. Den øvre børsteenhed er forbundet med indersiden af ​​kuglen og hænger nær den øvre rulle og bælteplacering. Elektronerne i børsten flytter til ledningerne, fordi de tiltrækkes af det positivt ladede bælte. Når luften bryder sammen som før, tiltrækkes de positive atomkerner af luften på børsten. Samtidig flytter de frie elektroner i luften til bæltet. Når en ladet genstand rører indersiden af ​​en metalbeholder, vil beholderen tage hele opladningen, så objektet er neutral. Det overbelastning Vises derefter på beholderens yderside. Her er vores beholder kuglen. Det er gennem denne effekt, at Van de Graaff-generatoren er i stand til at opnå sine enorme spændinger. For Van de Graaff-generatoren er bæltet det opladede objekt, hvilket giver en kontinuerlig positiv ladning til kuglen.

En sidste note, inden du fortsætter med at opbygge din egen Van de Graaff generator. Normalt anvendes et neutralt materiale til den øvre rulle, så båndet bliver neutralt, når kuglen suger sin overladning væk. Fordi jeg har brugt en nylon øvre rulle (som er positiv på den triboelektriske serie), får jeg bæltet til faktisk at levere mere positiv ladning og blive negativ. Dette er en teknik, der bruges til fordobler din nuværende. Bæltet er positivt på den ene side, da det nærmer sig den øvre rulle og negativ på den anden side, da den nærmer sig den nederste rulle.

Byg din egen!

Hvis du er mekanisk dygtig, er det nemt at opbygge din egen Van de Graaff generator fra bunden (hvis ikke, kan du købe et kit eller en færdig generator - se links i slutningen af ​​denne artikel til nogle ideer). Følgende er en liste over de dele og materialer, jeg plejede at opbygge min Van de Graaff generator.

  • Motor - Jeg købte en brugt 1/3 hestekræfter, 1.780-omdrejningsmotor fra en lokal motorværksted.
  • Bælte - Jeg brugte et stykke kirurgisk slange. BRUG IKKE SVART RUBBER! Bæltet skal være en isolator.
  • Nedre rulle - Jeg brugte et stykke nylon, 3 inches i diameter og 3 inches lang, med en krone i midten. Rullen blev boret for at acceptere en 5/8-tommers motoraksel med nøgle og dækket med siliciumbånd (fås hos en hardwarebutik eller online hos McMaster-Carr - brug 1 "bred og 20 mm tykk).
  • Øverste rulle - Jeg brugte et stykke nylon, 2 inches i diameter og 2 inches lang, med en krone i midten.
  • Øverste og nederste børste - Jeg brugte to stykker multistrandede flettet jordstropper.
  • Sphere - Jeg brugte to rustfrit stål salatskåle hvile rim til kant.

Rollers. Jeg vil råde enhver seriøs bygherre til at bruge den negative-rulle / positive-rulle teknik. Resultaterne er meget bedre end at have en rullerneutral. Få en ide om, hvilke materialer du vil bruge, og søg derefter de lokale hardwareforretninger. Der er mange materialer på den triboelektriske liste, der kan findes med let til moderat søgning. Undgå at bruge aluminiumsfolie eller andet metal, som kan rive eller flake. Hvis aluminiumflagerne kommer, vil den komme på bæltet og dermed afkorte Van de Graaff-generatoren. Du bør prøve at sætte en krone i rullerne (gør den midterste udbulning som en keg). Kronen vil medføre, at bæltet sporer midten af ​​rullen, hvilket eliminerer potentialet for, at bæltet glider af.

Bælte. Den kirurgiske slange, som jeg bruger, virker fejlfrit. Det er ekstremt holdbart, nemt at holde rent (tørre med gnidningsalkohol) og let at arbejde med. Køb slangen på en god hardware butik eller en medicinsk forsyning butik. Du skal derefter skære slangen for at lave en flad strimmel. Gør dette med en saks eller ved at opblæse slangen. For at danne et bælte, form båndet i en cirkel og overlappe enderne lidt. Skær en 45 graders vinkel gennem den overlappede del (skær hele vejen igennem). Nu støder de to ender sammen og binder dem med gummilim. 45-graders søm hjælper bæltet med at rejse over rullerne, når sømmen når dem.

Huske på, at bæltet må ikke være ledende. Undgå at bruge noget materiale, der er sort - det indeholder sandsynligvis kulstof, som er ledende ved de høje spændinger, en Van de Graaff generator udvikler. Båndbredden skal være så tæt på rullens bredde som muligt. Du ønsker at sikre, at børsten er "belægning" bæltet og ikke taber ladning til rullen.

Børster. Børsterne skal være et ledende materiale som metal. Jeg har fundet ud af, at jo mindre og skarpere børstetippene er, desto bedre er resultatet.Prøv at placere børsterne på forskellige afstande til rullerne. Lad ikke børsterne komme i kontakt med bæltet. Dette vil medføre, at snavs opbygger og ødelægger dit bælte. Afbinding af de fine ledninger i jordforbindelsestråd fungerer godt og anbefales.

Motor. Motoren er uden tvivl det mindst kritiske aspekt af Van de Graaff-generatoren. Selvfølgelig vil du have en nok hestekræfter til at køre bæltet. Prøv at kigge på lokale motorværksteder. Jeg brugte endda en cirkelsav motor på et tidspunkt. For motorhastigheden ville jeg ikke bruge noget mindre end 1.000 omdr. Hastigheden bestemmer, hvor hurtigt en Van de Graaff generator opkræver (ikke forveksle dette med hvor meget opladning er opbygget).

Sphere. Enhver hule metallisk sfære vil fungere fint. De to salatskåle, som jeg brugte, havde lidt lækage, hvor fælgen kom sammen. Jeg afhjælper dette ved at forsegle sømmen med epoxy og dække den med elektrisk tape.

Konstruktion af generatoren

Her er de første trin:

  1. Monter den nederste rulle på motorakslen.
  2. Monter den nederste børsteenhed til motorhuset.
  3. Indsæt den nederste enhed.

Brug ikke træ til indkapslingen: Træ er let at arbejde med, men det absorberer fugt fra luften, hvilket kan skade Van de Graaff-generatoren negativt. Sæt sagen af ​​plastik - Plexiglas fra en hardware butik fungerer godt. Husk at forlade adgangen til at sætte bæltet på din rulle og forlade en åbning øverst for at lede bæltet til toprullen.

For søjle samlingJeg brugte en 6 "diameter, 32-tommer lang PVC-rør. Jeg monterede den ene ende af røret på toppen af ​​huset og borede huller i den anden ende af røret. Du monterer din øvre rulle på toppen af ​​røret via en bolt eller stang gennem de borede huller. Afhængigt af hvordan din øvre rulle monteres på røret, vil du måske sætte bæltet på rullen, før du monterer det. Når den øverste rulle er monteret, kan du derefter sætte den anden ende af bæltet på den nedre rulle og lukke huset.

Endelig er du klar til at montere kugle og øvre børsteenhed. For at gøre dette skar jeg et hul i bunden af ​​en af ​​salatskåle. Jeg brugte derefter ledende "metalbinding" for at sikre flettet jordstrop til indersiden af ​​skåle. Dernæst monterede jeg skåle på en 6-tommer til 4-tommer PVC reducer. Jeg indsatte 4-tommers ende af reduceren i hullet i skålen og derefter overtrukket det med silicium caulk. Jeg dirigerede derefter børstenden af ​​jordstroppen til indersiden af ​​reduktionsanordningen og monterede den (det kan være nødvendigt at spille med dette for at få den bedste separationsafstand fra den øverste rullesamling).

Endelig er alt hvad du skal gøre nu sat på reducering over toppen af ​​PVC. Sørg for, at børsten står over for bæltet og på samme side som den nederste børste. Du har din helt egen Van de Graaff generator!

Det er en god ide at jordse et stykke ledning til motorhuset, fordi du så kan røre den anden ende af ledningen til kuglen, når du slukker den. Dette forhindrer dig i at få en ubehagelig lille pop, når du rører kontakten. Du vil måske også udlede kuglen uden at slukke den. Husk dog, at hvis du ikke holder enden af ​​ledningen under drift, vil du få en lille pop, når du henter det.

Eksperimenter

Der er millioner af interessante eksperimenter, du kan udføre med din nye Van de Graaff-generator, men jeg vil koncentrere dig om "hårhæve" en. Har den heldige deltager stå på toppen af ​​en isoleret overflade (en Rubbermaid beholder top fungerer godt). Det er afgørende for den person, der skal isoleres fra jorden. Hvis afgiften ikke kan opbygge personen, vil hans / hendes hår ikke stå op. Nu har personen lagt hånden på kuglen. Tænd Van de Graaff generator og se den gå!

Når Van de Graaff-generatoren starter opladning, overfører den ladningen til den person, der rører den. Da personens hårsække bliver opladet af samme potentiale, forsøger de at afstøde hinanden. Derfor står håret faktisk op. Det ville ikke være en forskel, hvis polariteten af ​​Van de Graaff-generatoren blev reverseret. Så længe personen er isoleret, vil opkrævningen opbygge (forudsat selvfølgelig at håret er rent og tørt).

Min Van de Graaff generator vil skabe gnister på 10 til 12 inches i længden. Jeg kan godt lide at oplade mig selv og pege på aluminiumsgardinerne på vinduet. Ladningen (elektronisk vind) vil medføre, at persiennerne bevæger sig. Jeg kan gøre dette fra omkring 8 meter væk med lethed. Såbobler er også interessante at lege med omkring Van de Graaff generator. De er oprindeligt tiltrukket af Van de Graaff-generatoren og flyder hen imod det; Når de bliver opkrævet af Van de Graaff-generatoren, flyder de væk på grund af afstødning. Der er masser af sjove ting, du kan gøre med din Van de Graaff generator. Brug din fantasi!

For mere information, se linkene på næste side!

Hjælp

Hvis din Van de Graaff generator ikke ser ud til at blive opladet korrekt, skal du sørge for at den er ren. Undgå olier eller affald. Du kan også bruge en hårtørrer på det for at fjerne enhver fugt. Jeg går gennem dette ritual hver gang jeg vil bruge min Van de Graaff generator. Du vil blive forbløffet over den forskel, det kan gøre. Du kan måske slukke for alle lysene og køre Van de Graaff-generatoren i mørke. Du vil se blå-lilla gnister skyde ud hvor som helst du har lækage. Prøv at fjerne lækagen med tape, epoxy eller silicium. Det kan endda tage kombinationer af de tre, men det vil være umagen værd at gøre det.


Video Supplement: Static Generator | Mr. Bean Official Cartoon.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com