Электростатические игрушки и генератор Ван де Граафа. Научные игрушки

В начале 70-х "Van Der Graaf Generator" входили в пятерку сильнейших британских прог-групп. Эта команда была создана в 1967 году тремя студентами Манчестерского Университета: Питером Хэммиллом (гитара, вокал), Ником Пирном (орган) и Крисом Джаджем Смитом (ударные, духовые). По предложению последнего из них коллектив взял себе название, обозначавшее машинку по производству статического электричества. Первые записи "VDGG" попали к представителям "Mercury Records", и фирма предложила музыкантам контракт, который почему-то подписал один Хэммилл . В 1968-м Пирна сменил Хью Бэнтон, а менеджером команды стал Тони Страттон-Смит. С помощью Тони в коллективе появился бас-гитарист Кит Ян Эллис, а спустя некоторое время за ударные уселся Гай Эванс.

Данный состав нарезал несколько демок для "Mercury", выпустил сингл "The People You Were Going To" и... распался. Поводом для роспуска группы послужили кража всего оборудования и непонятки с сольным контрактом Хэммилла . Тем не менее, когда Питер начал работать над первым альбомом, к нему вновь присоединились Бэнтон, Эванс и Эллис, и как-то так получилось, что "Mercury" выпустила пластинку под маркой "Van Der Graaf Generator".

В 1969 году Страттон-Смит организовал собственную фирму грамзаписи "Charisma Records" и первым делом пристроил на нее своих подопечных из "VDGG". Перед записью "The Least We Can Do Is Wave To Each Other" Эллиса, ушедшего в "Juicy Lucy ", сменил Ник Поттер, а, кроме того, в составе появился саксофонист Дэвид Джексон. Кадровые изменения повлияли и на музыку, и психоделические элементы уступили место мрачноватым джазово-классическим текстурам. "The Least We Can Do Is Wave To Each Other" был принят достаточно тепло, и группа приступила к работе над следующим (не менее успешным) альбомом. В самый разгар сессий "H To He Who Am The Only One" сбежал Поттер, однако это практически не отразилось на качестве пластинки. Басовые партии удачно сымитировал на своем органе Бэнтон, а дополнительные штрихи наложил гость из "King Crimson " Роберт Фрипп .

Состав группы, существовавший на тот момент, получил статус классического, что подтвердилось выпуском замечательного альбома "Pawn Hearts". Эта работа, на которой вновь появился Фрипп , рассматривается большинством поклонников "VDGG" лучшей в дискографии коллектива. Тем не менее, вскоре команда была распущена, а Хэммилл начал сольную карьеру. Расставание прошло в дружественной обстановке, поэтому впоследствии коллеги Питера время от времени участвовали в записи его альбомов.

В 1975 году классический квартет воссоединился и в течение 12 месяцев записал три новых диска. В отличие от первых альбомов, над которыми трудился Джон Энтони, эти работы вандерграафовцы продюсировали сами. После выхода "World Record" Бэнтон и Джексон подали в отставку, зато вернулся Поттер, а вместо Дэвида появился скрипач Грэхем Смит (экс-"String Driven Thing "). Название группы сократилось до "Van Der Graaf", а вместе с этим сократилась и продолжительность композиций, ставших более доступными. После выхода "The Quiet Zone/The Pleasure Dome" с участием виолончелиста Чарльза Дики был записан концертник "Vital". Когда пластинка увидела свет, группа уже вновь была распущена. Время от времени бывшие коллеги продолжали встречаться на сессиях и изредка давали совместные концерты.

Настоящий же реюнион состоялся в 2004 году, когда классический состав приступил к работе над новым студийным альбомом. Весной 2005-го вышел двойник "Present", и в его поддержку коллектив отыграл серию европейских концертов. На следующий год ряды "Van Der Graaf Generator" покинул Джексон, а в 2007-м на лейбле Хэммилла "Fie! Records" был выпущен концертник "Real Time" с записью выступления в "Royal Festival Hall".

В различных областях науки и техники используются ускорители заряженных частиц — электронов, протонов, ионов. Такие ускорители могут быть построены на различных принципах. В том числе, на электростатическом принципе. Одним из типов генераторов, построенных на таком принципе, является генератор Ван де Граафа. В этом приборе, который был изобретен в 1929 году профессором Массачусетского университета Ван де Граафом, использовался принцип создания поля сверхвысокого напряжения путем электризации ленты из диэлектрика, которая передвигается с помощью двигателя.

Конструкция и принцип действия

Конструкция генератора бывает вертикальной и горизонтальной. Наиболее распространенной является установка с вертикальным расположением.
В состав такого генератора входят:

• бесконечная диэлектрическая резиновая или шелковая лента, двигающаяся со скоростью 20-40 м/c на 2-х вращающихся шкивах;
• 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика, например, акрилового стекла;
• полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив. Этот электрод укреплен на изоляторе;
• источник высокого напряжения.

Нижний шкив заземлен. На электрод, находящийся вблизи этого шкива, подается высокое напряжение. На небольшом расстоянии от верхнего и нижнего шкивов установлены электроды, выполненные в виде щетки или гребенки. Верхний электрод соединен с полой полусферой.

Принцип работы прибора

Под воздействием высокого напряжения в воздушном слое, находящимся между нижним щеточным электродом и нижним шкивом, образуются положительно заряженные ионы. Эти ионы притягиваются к металлическому шкиву, оседают на диэлектрической ленте и транспортируются к полому полусферическому электроду. С помощью верхнего щеточного электрода эти ионы снимаются с ленты и попадают на поверхность сферического электрода. С течением времени происходит накапливание заряда и повышение потенциала этого электрода относительно земли.

Максимальная величина получаемого напряжения определяется напряжением разряда, возникающего вокруг сферического электрода в результате ионизации окружающего электрод воздуха. При увеличении диаметра сферы это напряжение возрастает.

Для его увеличения в установках с относительно небольшой сферой прибор помещают в герметический корпус, который наполняется под давлением в 20 атмосфер газами с большой электрической прочностью. К таким газам относятся азот, фреон и другие газы. Такой корпус, выполненный из изоляционных материалов, служит также для обеспечения безопасности людей.

Тандемный генератор

Тандемный генератор состоит из 2-х каскадов. В таком генераторе создаются отрицательные ионы, которые летят в сторону находящегося под высоким положительным потенциалом электрода, находящегося в середине заполненного газом сосуда. Проходя через находящийся внутри электрода канал, отрицательные ионы, имеющие энергию в 10 МэВ, отдают свои электроны и превращаются в положительные ионы. Далее пучок этих положительных электронов перемещается в сторону электрода, имеющего нулевой потенциал. Таким образом, можно получить пучок протонов с удвоенной энергией.

Использование

Генераторы Ван де Граафа часто применяются в исследованиях атома и в медицине.

В первом случае они используются для проведения ядерных реакций и для ввода частиц в ускорители. Такие установки есть в большинстве ядерных лабораторий, в которых исследователи имеют дело с частицами малых и средних энергий.
В таких ускорителях под воздействием создаваемого генератором напряжения происходит формирование и ускорение пучков частиц.

Во втором случае генераторы применяются для лучевой терапии и исследований. При этом пучки частиц ударяются в мишень и создают жесткое излучение.

Кроме того, такие генераторы могут быть использованы в качестве учебных пособий для демонстрации явлений электростатики, а также для исследования грозовых разрядов и ударов молнии.

Технические характеристики

1-й генератор данного типа вырабатывал напряжение в 80 кВ. В дальнейшем изобретатель получил напряжения в 1 МВ и 7МВ. При этом напряжение первичного источника было 50 кВ.

Современные установки позволяют получить с помощью этого генератора напряжения в 20 миллионов вольт. Для этого используются тандемные установки. При этом ток в пучках может достичь нескольких мА, а энергия частиц – 40-50 МэВ.

Для получения частиц с большей энергией используются более мощные установки – циклотроны, коллайдеры.

Наиболее мощный генератор Ван де Граафа был использован в английской лаборатории Daresbury, в которой с 1983 по 1993 годы проводились ядерные эксперименты. В установке был использован тандемный генератор, развивающий напряжение в 20 МВ. Этот генератор располагался в здании высотой в 70 м. Важнейшим открытием, выполненным с помощью этой установки, было открытие супердеформированных ядер.

До войны в Советском Союзе был также построен большой генератор такого типа. На 2-х фарфоровых изоляторах были установлены металлические шары диаметром в 5 м. Напряжение между шарами достигало 15 МВ. При разряде появлялись молнии размеров в 15 м. При этом время заряда достигало 10 минут, а средняя мощность установки была менее 100 Вт.

Генераторы для опытов и образования

Генераторы Ван де Граафа могут быть использованы для проведения опытов в области физики и электростатики. При этом большое количество генераторов имеется в продаже. Также в Интернете приведено много разных схем и конструкций для самостоятельного изготовления генератора.

Примером такого устройства является генератор, производимый немецкой компанией 3B Scientific GmbH. Цена такого прибора 104076 руб.

Основные характеристики прибора:

• создаваемое напряжение около 100 кВ;
• ток короткого замыкания-15 мкА;
• питание двигателя от сети переменного тока;
• мощность потребления -13 ВА;
• размеры -240х120х620 мм;
• размеры шара – диаметр 90 мм, высота 420 мм;
• вес генератора -5,8 кг.

При работе с данным прибором необходимо выполнять ряд требований по технике безопасности:

1. Данный прибор может представлять опасность для близко стоящих к прибору людей, у которых вживлен кардиостимулятор.
2. Компьютерам и другим электронным приборам он может создавать ВЧ помехи.
3. Нельзя использовать прибор во влажных помещениях.
4. Нельзя прикасаться к цепям прибора.
5. Включать прибор можно только в сетевую розетку, имеющую заземление.
6. При замене предохранителя необходимо обязательно отключать прибор от сети.

Подготовка и включение прибора:

1. Перед включением генератора снять сферу, подняв ее вверх.
2. Очистить поверхность шкивов. При необходимости вымыть их и просушить феном.
3. Установить ленту в шкивы.
4. Поставить сферу на место.
5. Заземлить металлическую пластину и электрод.
6. Включить двигатель и выбрать необходимую скорость.
7. Для проверки заряда путем получения искры медленно передвигать ленту к металлической сфере.
8. В случае влажности просушить прибор феном.

Достоинства и недостатки

Достоинством генераторов Ван де Граафа состоят в том, что с их помощью можно получить пучки заряженных частиц, у которых имеются следующие качества:

• непрерывность;
• высокая интенсивность;
• отличная стабильность по энергии. Эта характеристика пучка достигает величины 0,01%;
• малая расходимость (менее тысячной доли радиана).

Недостатки генераторов:

• ограничения по величине получаемых напряжений и энергии частиц;
• повышенные требования к пробойному напряжению колонны и ленты;
• трудности измерения сверхвысоких напряжений;
• наличие вращающихся частей, уменьшающих надежность устройства.

Генератор Ван де Граафа был изобретен в начале двадцатого столетия. Его использовали для разных целей, в частности, для ядерных исследований. Позже применение сузилось. Сегодня можно купить его как игрушку и демонстрировать детям, левитацию различных объектов. Также генератор можно соорудить самостоятельно. Тогда он станет отличной учебной моделью, с которой проводят разные опыты.

Детские фокусы

Хотите сотворить «волшебство»? Возьмите пакет из полиэтилена, обрежьте оба конца и завяжите на ниточке, чтобы получился бантик. Затем обычную линейку из пластика хорошенько потрите о шерстяную вещь и поднесите ее к бантику: начнется полет…

Готовую «волшебную палочку» с фигурками, с которыми можно делать такие фокусы, можно и купить в магазине.

Но самый простой вариант увидеть «волшебство» - это просто погладить кошку. Тогда можно и почувствовать, и увидеть возникшее статическое электричество.

А вот игрушка, повторяющая конструкцию генератора Ван де Граафа, работает на аккумуляторной батарее. Когда нажимают на кнопку, на кончике создается электростатический заряд. Поэтому фигурка перенимает его, и одноименные заряды начинают отталкиваться друг от друга. Так как фигурка вырезана определенным образом, она «надувается» и получает объем. Если заряд ослабевает, то нужно просто еще раз нажать на «волшебную» кнопку.

Немного истории

Конечно, генератор Ван де Граафа — это не только детские игрушки. Сам физик создал свое детище для проведения серьезных исследований в разделе атомной физики. Первый демонстрационный образец был сделан в 1929 году. Он был небольшого размера. Более внушительные габариты получил генератор Ван де Граафа, установленный на рельсы для дирижаблей. Модель состояла из двух столбов, наверху которых расположили полые сферы из алюминия диаметром пятнадцать футов.

Сооруженные в 1931 и 1933 годах установки достигали мощности в семь миллионов вольт. А ведь лишь заряд до восьмидесяти киловольт обеспечивал первый генератор Ван де Граафа.

Принцип действия

Внутри вращается вертикально диэлектрическая лента из бумаги. Ролик, расположенный наверху, является диэлектриком, а нижний выполнен из металла и соединен с землей. Щеточный электрод в сфере снимает и подает заряд, который распределялся в сфере равномерно. Рядом с электродом, находящимся внизу, воздух ионизируется, полезные ионы оседают на ленте, и та ее часть, которая направляется вверх, заряжается.

Чтобы получалась высокая разность потенциалов в линейных ускорителях частиц (для чего и нужны были эти генераторы), использовались две сферы с разными зарядами. В одной из них накапливались положительные, и в другой — отрицательные. Когда концентрация достигала определенного уровня, между ними проскакивал электроразряд. Именно он и исследовался. Напряжение здесь доходило до миллионов вольт.

Ранее устройства применялись для ядерных исследований и ускорения частиц. После того как появились другие способы ускорения, их стали использовать в этой сфере гораздо реже. В настоящее время генератор Ван де Граафа в большей степени служит для моделирования. К примеру, с его помощью имитируют природные разряды газа. Вместо лент в установках часто используют цепи, состоящие из пластиковых и железных звеньев поочередно.

Что нужно для самостоятельной сборки прибора

Модель несложно соорудить самостоятельно из подручных средств. Генератор Ван де Граафа, своими руками собранный, состоит из следующих составляющих:

• карандаша;
• обрезка трубы ПВХ;
• резинки;
• скрепки;
• фольги из алюминия;
• двигателя от игрушки;
• неработающей лампочки;
• сухих паст от ручки;
• батарейки на девять вольт;
• скотча;
• провода;
• дощечки.

Все элементы должны быть сухими, так же, как и воздух в помещении. В противном случае работать конструкция просто не будет или будет, но очень слабо.

Вот какой получится генератор Ван де Граафа. Фото ниже показывает, как должна выглядеть модель.

Как генератор делается самостоятельно

Сначала сверлят отверстие на дощечке, которая станет основанием конструкции. Сверло подбирают подходящего диаметра, форма - в виде пера. Затем на трубке проделывают два отверстия: сверху и снизу, для паст. Делают еще два отверстия: одно чуть выше верхнего, а второе — перпендикулярно нижнему.

Далее пасты нужно полностью очистить от чернил. Вырезают кусок, соответствующий внутреннему диаметру трубы. Берут скрепку, выпрямляют и отрезают кусок достаточной длины, чтобы он на сантиметр выступал из трубки.

Из скотча изготавливают диэлектрическую ленту. Резинку обклеивают так, чтобы обе стороны тоже были липкими.

Подготовленные элементы собирают.

Добавляют щетки, собирающие заряд. Внизу кисть проходит через отверстие, а кончик делают распушенным. Кисти должны находиться близко к резинке, но не касаться ее. Верхнюю продевают через отверстие наверху.

После этого при помощи фольги из алюминия обклеивают неработающую уже лампочку. К фольге крепится верхний провод. Лампу вставляют сверху конструкции.

Генератор Ван де Граафа учебный готов.

Опыты

Если к верхнему электроду прикрепить несколько нитей и приблизить руки, то они «встанут дыбом» и обовьют пальцы. Попробуйте провести опыты в темноте.

Чтобы получить более мощное напряжение, соединяют два генератора.

Хорошим вариантом для опытов станет лейденская банка.

Самым известным опытом является тот, при котором волосы становятся дыбом. Для этого нужно встать на деревянную доску или фанеру. Руку ставят на сферу (при этом генератор должен быть выключен, чтобы не ударило током). После включения прибора пройдет искра, в результате чего волосы встанут дыбом.

Генератор следует разряжать после каждого применения и работать с ним крайне осторожно, так как ток может стать смертельно опасным для человека.

Генератор Ван де Граафа изобрели в первой половине прошлого века. Он использовался для разных целей, в том числе для ядерных испытаний. Со временем спектр применения существенно сузился. В наши дни его можно свободно приобрести и демонстрировать детям левитацию разных объектов. Также генератор возможно соорудить самостоятельно, тогда он станет хорошей учебной моделью для проведения различных опытов.

Хотите превратиться в волшебника? Возьмите обычный полиэтиленовый пакет, обрежьте два конца и плотно перевяжите ниточкой - должен получиться бантик. После этого простую пластиковую линейку потрите обо что-то шерстяное и поднесите к бантику: начнется настоящий полет!

Готовая «волшебная палочка» и фигурки, с которыми можно проделать подобные фокусы, можно купить в магазинах.

А вот игрушки, копирующие модель генератора, работают от аккумуляторных батарей. Если нажимать на кнопку, на его конце возникает электростатический заряд, переходящий на фигурки, отталкивающий заряды друг от друга. У фигурки имеется определенный вырез, она надувается и увеличивается объем. При ослабевании заряда нужно нажать на кнопку еще раз.

Экскурс в историю

Конечно, электростатический генератор - не только игрушка для детей. Американский ученый создал свое изделие, проводя серьезные исследования в области атомной физики. Первый демонстрационный образец увидел мир в 1929 году, он имел небольшие размеры. Более внушительно выглядел трибогенератор, что был установлен на рельсах дирижаблей. В состав конструкции входили два столба, сверху на них прикрепили полые алюминиевые сферы диаметром 15 футов.

В 1931 и 1933 годах соорудили две установки, мощность которых достигала невероятных значений - до семи миллионов вольт, а первый образец - всего лишь 80 киловольт.

Внутри наблюдается вращение вертикальной диэлектрической бумажной ленты. Ролик, размещенный в верхней части, - диэлектрик, а тот, что находится снизу, - металлический и соединяется с землей. Щеточный электрод сферы отвечает за снятие и подачу заряда, что равномерно распределяется в ней. Рядом с нижним электродом происходит ионизация воздушных масс, полезные осядут на ленте, и верхняя часть начнет заряжаться.

Для получения высокой разницы потенциалов линейных ускорителей частиц (именно с этой целью и разработали подобный генератор) используют две сферы с неодинаковыми зарядами. В одной собираются положительные, а в другой - отрицательные. При определенной концентрации проскакивал электрический заряд. Именно его исследовали. Напряжение могло составят несколько миллионов вольт.

Ранее приспособления применялись при проведении ядерных исследований, ускорении частиц. После появления других способов решений указанных задач их применение существенно сократилось. В наше время такие генераторы служат для моделирования. Например, они помогают имитировать природные газовые разряды. Но ленты теперь заменили на цепи со пластиковыми и железными звеньями, размещенными поочередно.

Изготовление своими руками

Модель нетрудно собрать самому, применяя подручные материалы. Генератор, собранный своими руками, будет составлен из таких элементов, как:

Обратите внимание, что все компоненты должны быть полностью сухими, на одном уровне с температурой воздуха в рабочем помещении. Иначе модель может не работать совсем или подавать слишком слабые импульсы. Подробную схему и видео по созданию генератора Ван де Граафа можно найти в сети Интернет.

Чтобы сделать самодельный генератор, просверлите отверстие на доске, которая станет основанием. Выберите нужный диаметр сверла , оно должно быть в форме пера. Затем проделайте на трубке пару отверстий: первое сверху, второе снизу - для паст, потом еще два - выше первого и перпендикулярно нижнему.

Далее, пасты чистят от чернил. Вырезается кусок соответственно диаметру трубы. Скрепка выпрямляется, она должна на 1 сантиметр выступать за пределы трубки. Скотч используется как основание диэлектрической ленты. Им следует обклеить резинку так, чтобы она с двух сторон была липкой.

Предварительно подготовленные элементы собирают.

Добавляются щетки, в них собирается заряд. Снизу кисть должна пройти через отверстие , кончик оставляют распушенным. Кисти располагаются близко к резинке, но не соприкасаются с ней. Верхняя продевается через ближайшее отверстие. Затем фольгой плотно обклеивается нерабочая лампочка. К фольге плотно прикрепляют верхний провод. Лампочку оставляют в верхней части конструкции.

Генератор готов к применению .

Опыты с генератором

Устройство обязательно следует разряжать после каждого использования, в работе проявлять осторожность, ведь поражение током может привести к летальному исходу.

Протонов и ионов высоких энергий. Ускорение частиц происходит за счет их взаимодействия с электростатическими или электромагнитными полями. В медицине ускорители заряженных частиц используют для лучевой терапии и в радиобиологических исследованиях. В зависимости от способа ускорения ускорители заряженных частиц делят на электростатические (например, генератор Ван-де-Граафа), линейные резонансные, индукционные (см. Бетатрон) и циклические (циклотрон).

В электростатическом генераторе Ван-де-Граафа высокое напряжение создается за счет накопления на поверхности полой проводящей сферы электрического заряда, который подается на нее от электрического генератора с помощью движущейся бесконечной ленты. Ускорение заряженных частиц происходит в вакуумной трубе.

Роберт Ванн де Грааф во время демонстрации своего генератора в 1922 г

Электростатический генератор (Ван-де-Граафа) - ускоритель заряженных частиц. Состоит из источника высокого напряжения (собственно электростатический генератор) и ускорительной трубки. Первая удачная конструкция подобной установки была предложена в 1929 г. Ван-де-Граафом (R. J. Van de Graaff). Принцип действия электростатического генератора заключается в следующем.

Электрические заряды от генератора наносятся на диэлектрическую движущуюся ленту.

С этой ленты заряды переносятся системой щеток на внутреннюю поверхность полой металлической изолированной сферы - кондуктора (рис.). Таким образом, на сферу может быть перенесен достаточно большой заряд, максимальная величина которого определяется возникновением разряда с нее во внешнее пространство. С увеличением размеров сферы напряжение повышается. В настоящее время для увеличения напряжения при минимальных размерах установки электростатический генератор помещают в бак с газом, имеющим высокую электрическую прочность (азот, фреон, углекислый газ), под давлением до 20 атм.

Электростатический генератор может быть использован для ускорения как электронов (см.), так и тяжелых частиц - протонов (см.). Предельная энергия ускоренных частиц достигает 10 Мэв. Электростатические генераторы нашли широкое применение в физике, технике и медицине. В медицине используются электростатические генераторы с электронным пучком (см. Электронное излучение) как источник жесткого тормозного излучения (см.), возникающего при попадании электронов высокой энергии на мишень из тяжелого элемента. См. также Ускорители заряженных частиц.

Электростатический генератор Ван-де-Граафа:
1 - высоковольтный электрод (кондуктор);
2 - ионный или электронный источник;
3 - многосекционная ускорительная трубка;
4 - изолирующая колонка;
5 - система дефокусировки электронного луча;
6 - тонкая алюминиевая фольга;
7 - конвейер;
8 и 10 - зарядные и съемные острия;
9 - двигающаяся «бесконечная» лента.