Ein Generator von Van de Graaff ist ein elektrostatischer Generator, der einen bewegenden Riemen verwendet, um sehr Hochspannungen auf einem hohlen Metallerdball auf der Spitze des Standplatzes anzusammeln. Es wurde 1929 vom amerikanischen Physiker Robert J. Van de Graaff erfunden. Die potenziellen in modernen Generatoren von Van de Graaff erreichten Unterschiede können 5 Megavolt erreichen. Vom Generator von Van de Graaff kann als eine unveränderlich-aktuelle Quelle gedacht werden, die in der Parallele mit einem Kondensator und einem sehr großen elektrischen Widerstand verbunden ist.

Beschreibung

1) hohler Metallbereich

2) obere Elektrode

3) obere Rolle (Metall)

4) Seite des Riemens mit positiven Anklagen

5) Gegenseite des Riemens mit negativen Anklagen

6) niedrigere Rolle (zum Beispiel ein Plexiglas)

7) niedrigere Elektrode (Boden)

8) kugelförmiges Gerät mit negativen Anklagen, verwendet, um den Hauptbereich zu entlassen

9) Funken, der durch den Unterschied von Potenzialen]] erzeugt ist

Ein einfacher Van de Graaff-Generator besteht aus einem Riemen von Seide oder einem ähnlichen flexiblen dielektrischen Material, zwei Metallrollen durchgehend, von denen eine von einem hohlen Metallbereich umgeben wird. Zwei Elektroden, (2) und (7), in der Form von Reihen in der Form von des Kamms von scharfen Metallpunkten, werden beziehungsweise in der Nähe vom Boden der niedrigeren Rolle und innerhalb des Bereichs über die obere Rolle eingestellt. Kamm (2) wird mit dem Bereich und Kamm (7) zum Boden verbunden. Ein hohes Gleichstrom-Potenzial (in Bezug auf die Erde) wird auf die Rolle (3) angewandt; ein positives Potenzial in diesem Beispiel.

Da der Riemen vor dem niedrigeren Kamm geht, erhält er negative Anklage, die seinen Punkten wegen des Einflusses des elektrischen Feldes um die niedrigere Rolle entflieht, die die Luft an den Punkten ionisiert. Da der Riemen die obere Rolle (6) berührt, überträgt es einige Elektronen, die Rolle mit einer negativen Anklage verlassend (wenn es vom Terminal isoliert wird), der zur negativen Anklage im Riemen beigetragen hat, erzeugt genug elektrisches Feld, um die Luft an den Punkten des oberen Kamms zu ionisieren. Elektronen lecken dann vom Riemen bis den oberen Kamm und zum Terminal, den Riemen positiv beladen verlassend, weil es unten und das negativ beladene Terminal zurückkehrt. Der Bereich beschirmt die obere Rolle und den Kamm vom elektrischen Feld, das durch Anklagen erzeugt ist, die an der Außenoberfläche davon anwachsen, die Entladung und Änderung der Widersprüchlichkeit des Riemens an der oberen Rolle veranlassend, praktisch vorzukommen, als ob das Terminal niedergelegt wurde. Als der Riemen fortsetzt sich zu bewegen, reist ein unveränderlicher stürmender Strom über den Riemen, und der Bereich setzt fort, negative Anklage bis zur Rate anzusammeln, dass Anklage verloren wird (durch die Leckage und Korona-Entladungen) dem stürmenden Strom gleichkommt. Je größer der Bereich und weiter es vom Boden ist, desto höher sein Endpotenzial sein wird.

Eine andere Methode, um Generatoren von Van de Graaff zu bauen, soll die triboelectric Wirkung verwenden. Die Reibung zwischen dem Riemen und den Rollen, einem von ihnen jetzt gemacht aus Dämmstoff, oder klagen beide, die mit Dämmstoffen an verschiedenen Positionen auf der Triboelectric-Skala, ein oben und anderer unter dem Material des Riemens gemacht sind, die Rollen wegen der entgegengesetzten Widersprüchlichkeit an. Das starke E-Feld von den Rollen veranlasst dann eine Korona-Entladung an den Tipps der spitzen Kamm-Elektroden. Die Elektroden "zerstäuben" dann eine Anklage auf den Riemen, der in der Widersprüchlichkeit zur Anklage auf den Rollen entgegengesetzt ist. Die restliche Operation ist sonst dasselbe als die Stromspannung einspritzende Version oben. Dieser Typ des Generators ist leichter, für die Wissenschaft schöne oder selbst gemachte Projekte zu bauen, da es keine potenziell gefährliche Hochspannungsquelle verlangt. Der Umtausch besteht darin, dass es keine so hohe Stromspannung aufbauen kann wie der andere Typ, der nicht auch leicht geregelt werden kann, und Operation schwierig unter feuchten Bedingungen werden kann (der triboelectric Effekten streng reduzieren kann). Schließlich, da die Position der Rollen umgekehrt werden kann, kann die angesammelte Anklage auf dem hohlen Metallbereich entweder positiv oder negativ sein.

Ein Generator-Terminal von Van de Graaff braucht nicht gestalteter Bereich zu sein, um zu arbeiten, und tatsächlich die optimale Gestalt ein Bereich mit einer innerlichen Kurve um das Loch ist, wo der Riemen hereingeht. Da elektrisch beladene Leiter kein E-Feld innen haben, können Anklagen unaufhörlich hinzugefügt werden. Ein rund gemachtes Terminal minimiert das elektrische Feld darum, größeren Potenzialen erlaubend, ohne Ionisation der Umgebungsluft oder anderen dielektrischen Benzins erreicht zu werden. Außerhalb des Bereichs wird das E-Feld schnell sehr starke und geltende Anklagen von außen würde bald durch das Feld verhindert.

Da ein Generator von Van de Graaff denselben kleinen Strom an fast jedem Niveau des elektrischen Potenzials liefern kann, ist es ein Beispiel einer fast idealen aktuellen Quelle. Das maximale erreichbare Potenzial ist dem mit dem E-Feld multiplizierten Radius des Bereichs ungefähr gleich, wo Korona-Entladungen beginnen, sich innerhalb des Umgebungsbenzins zu formen. Zum Beispiel, wie man erwarten konnte, hat eine polierte kugelförmige Elektrode, die 30 Cm im Durchmesser in Luft an STP versenkt haben (der eine Durchbruchsstromspannung von ungefähr 30 kV/cm hat) eine maximale Stromspannung von ungefähr 450 kV entwickelt.

Geschichte

Die grundsätzliche Idee für die Reibungsmaschine als Hochspannungsversorgung, mit dem elektrostatischen Einfluss, um rotierende Platte oder Riemen zu beladen, kann zurück zum 17. Jahrhundert oder sogar vorher (vgl Reibungsmaschinengeschichte) verfolgt werden

Der Generator von Van de Graaff wurde entwickelt, 1929 vom Physiker Robert J. Van de Graaff an der Universität von Princeton mit der Hilfe vom Kollegen Nicholas Burke anfangend. Das erste Modell wurde im Oktober 1929 demonstriert. Die erste Maschine hat ein Seidenband verwendet, das bei einem five-dime als der Anklage-Transportriemen gekauft ist. 1931 wurde eine Version, die fähig ist, 1,000,000 Volt zu erzeugen, in einer offenen Enthüllung beschrieben. Diese Version hatte zwei auf 180 Cm hohen Borosilikatglassäulen bestiegene 60-Cm-Diameter-Anklage-Anhäufungsbereiche; der Apparat hat nur 90 $ 1931 gekostet.

Van de Graaff hat sich um ein Patent in im Dezember 1931 beworben, das MIT als Entgelt für einen Anteil des Nettoeinkommens zugeteilt wurde. Das Patent wurde später gewährt.

1933 hat Van de Graaff 40 Fuß (12 m) Modell an der Runden Hügel-Möglichkeit von MIT gebaut, deren Gebrauch von Obersten Edward H. R. Green geschenkt wurde.

Eine neuere Entwicklung ist das Tandem Gaspedal von Van de Graaff, einen oder mehr Generatoren von Van de Graaff enthaltend, in denen negativ beladene Ionen durch einen potenziellen Unterschied beschleunigt, bevor sie von zwei oder mehr Elektronen innerhalb eines Hochspannungsterminals beraubt werden, und wieder beschleunigt werden. Ein Beispiel einer drei Bühne-Operation ist in Oxford Kernlaboratorium 1964 eines 10 MV einzelnen beendeten "Injektors" und 6 MV EN Tandem gebaut worden.

Eines der Gaspedale von Van de Graaff hat zwei beladene Kuppeln der genügend Größe verwendet, dass jede der Kuppeln Laboratorien innen - ein hatte, um die Quelle des beschleunigten Balkens und des anderen zur Verfügung zu stellen, um das wirkliche Experiment zu analysieren. Die Macht für die Ausrüstung innerhalb der Kuppeln ist aus Generatoren gekommen, die vom Riemen heruntergelaufen sind, und mehrere Sitzungen zu einem ziemlich grauenhaften Ende gekommen sind, wenn eine Taube versuchen würde, zwischen den zwei Kuppeln zu fliegen, sie veranlassend, sich zu entladen. (Das Gaspedal wurde in einem Flugzeug-Hangar aufgestellt.)

Vor den 1970er Jahren konnten bis zu 14 Millionen Volt am Terminal eines Tandems erreicht werden, das eine Zisterne des Schwefels des Hochdrucks hexafluoride (SF) Benzin verwendet hat, um zu verhindern, durch das Abfangen von Elektronen Funken zu sprühen. Das hat der Generation von schweren Ion-Balken von mehreren Zehnen von megaelectronvolts, genügend erlaubt, leichtes Ion direkte Kernreaktionen zu studieren. Das höchste durch ein Gaspedal von Van de Graaff gestützte Potenzial ist 25.5 MV, die durch das Tandem an der Holifield Radioaktiven Ion-Balken-Möglichkeit am Eiche-Kamm Nationales Laboratorium erreicht sind.

Eine weitere Entwicklung ist der pelletron, wo der Gummi- oder Stoff-Riemen durch eine Kette von kurzen leitenden verbundenen Stangen durch das Isolieren von Verbindungen ersetzt wird, und die luftionisierenden Elektroden durch eine niedergelegte Rolle und induktive stürmende Elektrode ersetzt werden. Die Kette kann an der viel höheren Geschwindigkeit bedient werden als ein Riemen, und sowohl die Stromspannung als auch erreichbaren Ströme sind viel höher als mit einem herkömmlichen Generator von Van de Graaff. Das 14 UD Schwere Ion-Gaspedal in Den australischen Nationalen Universitätshäusern 15 Millionen Volt pelletron. Seine Ketten sind mehr als 20 Meter lang und können schneller reisen als 50 km/hr.

Nuclear Structure Facility (NSF) am Daresbury Laboratorium wurde in den 1970er Jahren vorgeschlagen, hat 1981 beauftragt und hat sich für Experimente 1983 geöffnet. Es hat aus einem Tandem Generator von Van de Graaff bestanden, der alltäglich an 20 MV funktioniert, die in einem kennzeichnenden 70 Meter hohen Gebäude aufgenommen sind. Während seiner Lebenszeit hat es 80 verschiedene Ion-Balken für den experimentellen Gebrauch im Intervall von Protonen zu Uran beschleunigt. Eine besondere Eigenschaft war die Fähigkeit, seltenen isotopic und radioaktive Balken zu beschleunigen. Vielleicht war die wichtigste auf dem NSF gemachte Entdeckung die von superverformten Kernen. Diese Kerne, wenn gebildet, von der Fusion von leichteren Elementen, rotieren sehr schnell. Das Muster der ausgestrahlten Gammastrahlung, weil sie sich verlangsamen, hat ausführlich berichtete Auskunft über die innere Struktur des Kerns gegeben. Im Anschluss an Finanzbeschränkungen hat der NSF 1993 geschlossen.

Generatoren von Van de Graaff auf der Anzeige

Der größte luftisolierte Generator von Van de Graaff in der Welt, die von Dr Van de Graaff in den 1930er Jahren gebaut ist, ist jetzt auf der dauerhaften Anzeige an Bostons Museum der Wissenschaft. Mit zwei hat 4.5 Meter (15 Fuß) Aluminiumbereich-Stehen auf hohen Säulen vereinigt, dieser Generator kann häufig 2 MV (2 Millionen Volt) erreichen. Shows mit dem Generator von Van de Graaff und mehreren Rollen von Tesla werden zwei bis drei Male pro Tag geführt. Viele Wissenschaftsmuseen, wie das amerikanische Museum der Wissenschaft und Energie, haben kleine Generatoren von Van de Graaff auf der Anzeige, und nutzen ihre statisch erzeugenden Qualitäten aus, "um Blitz" zu schaffen oder das Haar von Leuten aufstehen zu lassen.

Generatoren von Van de Graaff werden auch in Schulen und in Wissenschaftsshows verwendet.

Vergleich mit anderen Hochspannungsgeneratoren

Andere klassische elektrostatische Maschinen wie eine Wimshurst Maschine oder eine Maschine von Bonetti können aktueller leicht erzeugen als ein Generator von Van de Graaff für Experimente mit der Elektrostatik, und positive und negative Produktion haben. Die weniger isolierten Strukturen laufen jedoch auf kleinere Stromspannungen hinaus.

Patente

• — "Elektrostatischer Generator"

• — "Apparat, um Elektron zu reduzieren, das in Gaspedalen des Positiven Ions" lädt

Siehe auch

• Fotografie von Kirlian
• Los Alamos National Laboratory
• Elektrostatische Induktion
• Supraleitfähigkeit
• Wirkung von Triboelectric
• Elektrischer Generator
• Robert J. Van de Graaff
• Statische Elektrizität
• Hochspannung
• Teleforce
• 1929 in der Wissenschaft
• Tesla rollen auf
• Oudin rollen auf
• Maschine von Wimshurst

Außenverbindungen

• UVA Virtuelles Laboratorium: Generator-Universität von Van de Graaff von Virginia
• Interaktiver javanischer Tutorenkurs - Van de Graaff Generator National Hohes Magnetisches Feldlaboratorium
• Die Universität von Van de Graaff Accelerator Facility Western Michigan
• Die riesige Maschine von Dr Van de Graaff am Museum der Wissenschaft

Häufig gestellte

• Generator-Fragen von Van de Graaff
• Vivitron 20MV + Generator
• Illustration aus dem Bericht über Van de Graaff Generator Aus dem "Zwischenbericht auf dem M.I.T. Hochspannungsgenerator am Runden Hügel"
• Nikola Tesla, "". Wissenschaftlicher Amerikaner, März 1934. (.doc Format)
• Paolo Brenni, Der Generator von Van de Graaff - Eine Elektrostatische Maschine für die Meldung des 20. Jahrhunderts der Wissenschaftlichen Instrument-Gesellschaft Nr. 63 (1999)
• Charrier Jacques "Le générateur de Van de Graaff". Faculté des Sciences de Nantes.
• Das Bilden VDGs
• Hellborg, Ragnar, Hrsg. Elektrostatische Gaspedale: Grundlagen und Anwendungen [New York, New York: Springer, 2005]. Verfügbar online an:

http://books.google.com/books?id=tc6CEuIV1jEC&pg=PA51&lpg=PA51&dq=electrostatic+accelerator+book&source=web&ots=Qa0DbmiZJt&sig=bLoYaz_VUpBr7-Wv4lk_fLBnUo4#PPP1,M1

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