Parti del generatore di van de Graaff, come funziona, applicazioni

Lui Generatore di Van de Graaff È un artefatto che funziona grazie a fenomeni elettrostatici e la cui funzione consiste nella riproduzione di enormi potenziali elettrici, nell'ordine di mega -ectronvolt (MEV), per accelerare le particelle subatomiche. Tali potenziali sono concentrati nelle loro parti superiori, in cui le sfere metalliche e cave.

Fu inventato nel 1929 dal fisico americano Robert J. Van de Graaf, Building Models di diverse dimensioni e capacità elettriche. Uno dei più grandi, creato nel 1933 e osservato nell'immagine inferiore, è in grado di raggiungere un potenziale elettrico di 5MEV; cinque volte in meno di quanto si possa ottenere (25.5mev).

Uno dei più grandi generatori di Van de Graaf mai costruiti, situato nel Boston Sciences Museum. Fonte: Beyond My Ken, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

È così tanto il potenziale del generatore di Van de Graaff, che nell'aria che circonda le sue sfere di metallo ci sono scarichi elettrici. Questi scarichi sono il prodotto dello squilibrio delle cariche elettriche, poiché le sfere acquisiscono cariche elettriche molto negative o molto positive; Tutti a seconda dei materiali e dei loro design.

Questo artefatto è abbastanza popolare nell'insegnamento della fisica ed elettricità. Questo perché i volontari, quando si toccano le sfere o le cupole metalliche di piccoli generatori, sperimentano un sollevamento involontario dei loro capelli, che ricorda un'elettrocuzione.

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Parti del generatore di furgoni Graaff

Rappresentazione semplificata del funzionamento di un generatore di furgoni Graff. Fonte: dake, modificato da Gonfer00, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons

Nell'immagine superiore abbiamo le parti convenzionali per un generatore di furgoni Graaff. Ha una cornice verticale sormontata da una sfera cavata o una cupola di metallo (1). All'interno, abbiamo una fascia o una cintura (4 e 5) fatta di materiale polimerico e isolante, come il tubo chirurgico.

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Questa cintura si muove costantemente tra due rulli: uno superiore (3) e uno inferiore (6). Allo stesso modo, ogni rullo ha una spazzola annessa (2 e 7) che tocca la superficie della cinghia. Il movimento della cinghia è attivato da un motore elettrico collegato alla base del generatore.

Come si può vedere nell'immagine, la sfera del generatore viene caricata positivamente (+). Pertanto, ha bisogno di elettroni per fornire sbilanciamento elettrico. È qui che gli elettroni (-) che lasciano il generatore finiscono per caricare negativamente un dispositivo di metallo vicino (8); Finalmente produrre una scossa elettrica (9) nella direzione della cupola metallica.

La scossa elettrica può avvenire nella direzione della cupola o nella direzione del dispositivo; Quest'ultimo si verifica quando è la cupola che viene caricata negativamente.

Come funziona un generatore di furgoni Graffe?

Serie Triboelectric

Il generatore di Van de Graaff può essere positivo o negativo. Il simbolo del carico dipenderà dalla natura triboelettrica dei materiali con cui sono realizzati la cintura e il rivestimento del rullo inferiore.

Ad esempio, se il rullo inferiore è coperto di nylon, ma essendo la cintura di gomma, la serie Triboelectric dovrebbe essere controllata per sapere quale materiale riceverà e quali donerà gli elettroni una volta che si metteranno in contatto.

Pertanto, il nylon per essere più positivo, cioè essere più in alto nella serie Triboelectric rispetto alla gomma, quindi perderà elettroni mentre la gomma li vincerà. Pertanto, la cintura finirà per muoversi o mobilitare carichi negativi quando il motore del generatore è acceso.

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Nel frattempo, se il rullo inferiore è rivestito di silicone, accadrà il contrario: la cintura perderà elettroni, poiché il silicone è più negativo della gomma nella serie Triboelectric. E di conseguenza, la cintura sposterà o mobiliterà carichi positivi (come nell'immagine già descritta).

Spostamento del carico

La triboelettricità è solo uno dei tanti fenomeni elettrici (corona e effetti fotoelettrici, secchio di ghiaccio di Faraday, campi elettrici, ecc.) che si svolgono nel generatore di Van de Graoff. Ma il punto centrale è che può muoversi, mobilitare o "pompare" cariche elettriche alla cupola metallica.

Una volta che il rullo inferiore viene caricato negativamente dopo il funzionamento del motore e la cintura positivamente, gli elettroni a rulli iniziano a respingere quelli della faccia esterna della cinghia. Questi elettroni migrano, attraverso l'aria, verso la spazzola inferiore, dove saranno spinti sulla terra o altri dispositivi.

La cinghia di carico positivo raggiunge il rullo superiore, che ha una natura triboelettrica opposta al rullo inferiore; cioè, invece di caricare negativamente, deve perdere elettroni e, quindi, caricare anche positivamente. Pertanto, il carico positivo si sposta sul rullo superiore e, infine, verso la spazzola superiore a diretto contatto con la cupola di metallo.

Gli elettroni della spazzola superiore vengono trasportati sul rullo per neutralizzare i carichi. Ma questi elettroni provengono dalla superficie della cupola metallica. Pertanto, la cupola acquisisce anche un carico positivo.

Elettro-shock

La cupola, secondo le sue dimensioni, raggiungerà un potenziale massimo. Successivamente, le cariche elettriche devono essere bilanciate. Essendo molto positivo, riceverai elettroni da una fonte caricata negativamente: il dispositivo che riceve gli elettroni a pennello inferiore. Pertanto, esiste una scossa elettrica (scintilla) dal dispositivo (negativo) alla cupola metallica (positiva).

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Maggiori sono i potenziali elettrici raggiunti, proporzionali alle dimensioni del generatore, più intensi verranno riprodotti gli scarichi elettrici. Si noti che, se non fossero così grandi, gli elettroni non potevano viaggiare attraverso l'aria, un mezzo dielettrico non conduttore.

Applicazioni

Insegnanti

I capelli di quest'uomo vengono caricati elettricamente e si respingono a vicenda perché hanno lo stesso carico della sfera metallica del generatore. Fonte: Adam Engelhart tramite Flickr (https: // www.Flickr.com/foto/telux/537906436/in/photostream/)

Se la sfera di metallo viene caricata positivamente e qualcuno la tocca, anche i loro capelli verranno caricati positivamente. Le uguali cariche si respingono e quindi i capelli si separano e si separano l'uno dall'altro. Questo fenomeno viene utilizzato per scopi educativi nei corsi in cui viene introdotto l'elettrostatico.

Pertanto, i generatori di van de Graaf di piccole dimensioni vengono usati per catturare l'attenzione degli osservatori in merito al Brizming dei loro capelli; o nella contemplazione degli scarichi elettrici, repliche fedeli che vediamo nei film di fantascienza.

Acceleratore di particelle

Quando la cupola concentra molte cariche elettriche, viene generato un potenziale che è in grado di accelerare le particelle subatomiche. A tale scopo, il generatore di furgoni Graaf viene utilizzato per riprodurre raggi X in studi medicinali e fisica nucleare.

Riferimenti

1. Serway, r. A. e Jewett, J. W. (2005). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 2. Settima edizione. Apprendimento del Cengage editoriale.
2. Wikipedia. (2020). Generatore di Van de Graaff. Recuperato da: in.Wikipedia.org
3. Magnet Academy. (17 giugno 2019). Generatore di Van de Graaff. Recuperato da: Nationalmaglab.org
4. Seattle University. (2020). Elettrostatica - ciotole di alluminio con generatore di van de graaf. Recuperato da: Seattleu.Edu
5. John Zavisa. (1 aprile 2000). Come funzionano i generatori di Van de Graaff. Recuperato da: scienza.Howstuffwork.com