Van de Graaff jeneratörü

Van de Graaff jeneratörü hareket eden bir kayış yardımıyla içi boş bir kürede yüksek gerilim biriktirmeye yarayan bir elektrostatik jeneratördür. 1929 yılında Amerikalı fizikçi Robert Jemison Van de Graaff tarafından icat edilen bu jeneratörde potansiyel farkı 5 megavolta kadar çıkabilir. Bu araç bir üreteç ve ona paralel bağlı bir kondansatör ile çok büyük bir elektriksel direnç olarak da düşünülebilir.

Yük, iletkenin içinde herhangi bir yere yerleştirildiğinde,dış yüzeye doğru hareket eder ve iletkenin içinde alan sıfır olur. Robert Van de Graaff bu düşünceden faydalanarak 1931 yılında, yüklü parçacıkları yüksek kinetik enerjisine çıkaran hızlandırıcı inşa etmiştir.Bu yüksek enerjili parçacıklar, kanser tedavisinde de olduğu gibi maddenin mikroskobik yapısını anlamak için kullanılır.

Yalıtkan bir kayış (veya zincir) içi boş bir iletkene sürekli yük taşır ve yükler iletkenin dış yüzeyinde birikirler.Yüzeyde yükler arttıkça iletken kürenin elektrik potansiyeli de artar.Yük bir iyon kaynağı tarafından üretilir. Atomların işareti yüksek potansiyelin olduğu bölgeden dışarı itilecek şekildedir ve böylece atomlar hızlanır. Bu düzeneklere Van de Graaff hızlandırıcısı veya jeneratörü denir. Basit bir Van de Graaff jeneratörü, biri içi boş bir metal küre ile çevrelenmiş farklı malzemeden oluşan iki silindir üzerinde hareket eden bir kauçuk kayıştan (veya benzer bir esnek dielektrik malzemeden) oluşur. [ alıntı gerekli ] Keskin metal noktaların tarak şekilli sıraları şeklinde iki elektrot (2) ve (7), alt silindirin altına yakın ve kürenin içinde, üst silindirin üzerine yerleştirilmiştir. Tarak (2) küreye, tarak (7) toprağa bağlıdır. Şarj yöntemi triboelektrik etkiye dayanmaktadırbenzer olmayan malzemelerin basit teması, bazı elektronların bir malzemeden diğerine aktarılmasına neden olur. Örneğin (şemaya bakın), üst silindirin akrilik camı pozitif olarak yüklenirken, kayışın lastiği negatif olarak yüklenecektir. Üst silindir pozitif yük biriktirirken kayış iç yüzeyinde negatif yükü taşır. Daha sonra, pozitif üst silindiri (3) çevreleyen güçlü elektrik alanı, yakındaki tarağın (2) noktalarının yakınında çok yüksek bir elektrik alanı indükler. Noktalarda, alan hava moleküllerini iyonize edecek kadar güçlü hale gelir ve pozitif iyonlar taraklara giderken elektronlar kayışın dışına çekilir. Tarakta (2) taraktaki elektronlar tarafından nötralize edilirler, böylece tarak ve bağlı dış kabuk (1) daha az net elektron ile bırakılır. İlke olarak gösterilenFaraday buz kovası deneyi, yani Gauss yasasına göre, fazla pozitif yük dış kabuğun (1) dış yüzeyi üzerinde birikir ve kabuğun içinde hiç alan kalmaz. Bu yöntemle elektrostatik indüksiyon devam eder ve kabuk üzerinde çok büyük miktarda yük oluşturur.

Örnekte, alt silindir (6), kayışın iç yüzeyinden negatif yükü alan metaldir. Alt tarak (7), noktalarında hava moleküllerini iyonize edecek kadar büyük hale gelen yüksek bir elektrik alanı geliştirir. Bu durumda, elektronlar tarağa çekilir ve pozitif hava iyonları, kayışın dış yüzeyindeki negatif yükü nötralize eder veya kayışa bağlanır. Kayışın yukarı ve aşağı taraflarındaki yüklerin tam dengesi, kullanılan malzemelerin kombinasyonuna bağlı olacaktır. Örnekte, yukarı doğru hareket eden kayış aşağı doğru hareket eden kayıştan daha pozitif olmalıdır. Kayış hareket etmeye devam ettikçe, sabit bir "şarj akımı" kayıştan geçer ve küre şarjın hızı kaybolana kadar (sızıntı vekorona deşarjları) şarj akımına eşittir. Küre ne kadar büyük ve yerden o kadar uzaksa, tepe potansiyeli o kadar yüksek olacaktır. Örnekte, metal küre (8) olan çubuk, alt tarak (7) gibi toprağa bağlanmıştır; elektronlar pozitif kürenin çekiciliği nedeniyle yerden çekilir ve elektrik alanı yeterince büyük olduğunda (aşağıya bakın) hava bir elektrik deşarj kıvılcımı (9) şeklinde kırılır. Kayışın ve silindirlerin malzemesi seçilebildiğinden, içi boş metal küre üzerindeki biriken yük pozitif (elektron eksikliği) veya negatif (aşırı elektronlar) yapılabilir.

Yukarıda açıklanan sürtünme tipi jeneratörün, yüksek voltaj kaynağı gerektirmediği için science fair veya ev yapımı projeler için oluşturulması daha kolaydır. Yükü kayışın üstüne ve dışına daha verimli bir şekilde aktarmak için kayışın üst ve / veya alt konumlarında yüksek voltaj kaynaklarının kullanıldığı alternatif tasarımlarla (burada tartışılmamaktadır) daha büyük potansiyeller elde edilebilir.

Van de Graaff jeneratör terminalinin çalışması için küre şeklinde olması gerekmez ve aslında optimum şekil, kemerin girdiği deliğin etrafında içe doğru bir eğriye sahip bir küredir. Yuvarlak bir terminal etrafındaki elektrik alanını en aza indirir, havanın veya diğer dielektrik gazın iyonlaştırılması olmadan daha büyük potansiyellerin elde edilmesini sağlar. Kürenin dışında, elektrik alanı çok kuvvetli hale gelir ve alan tarafından doğrudan dışarıdan yük uygulanması önlenir. Elektrik yüklü iletkenlerin içinde herhangi bir elektrik alanı bulunmadığından, yükler, dış kabuğun tam potansiyeline yükseltilmeden içten sürekli olarak eklenebilir. Bir Van de Graaff jeneratörü hemen hemen her elektrik potansiyel seviyesinde aynı küçük akımı sağlayabildiğinden, neredeyse ideal bir akım kaynağına bir örnektir .

Elde edilen maksimum potansiyel kabaca küre çapına eşit olan R elektrik alanı ile çarpılması e max korona deşarj çevredeki gazın içinde oluşmaya başlar hangi. Standart sıcaklık ve basınçta (STP) hava için arıza alanı yaklaşık 30 kV / cm'dir. Bu nedenle, çapı cilalı küresel elektrot 30 cm maksimum gerilim geliştirmek için beklenebilecek V max = R · E maksimum yaklaşık 450 kV. Bu, Van de Graaff jeneratörlerinin neden mümkün olan en büyük çapta yapıldığını açıklar.

Günümüzde küçük çaplı olanları deneye amaçlı kullanılsa da, daha büyük olanları Röntgen cihazlarında, çeşitli sterilizasyonlarda, hatta parçacık hızlandırıcılarda elekrik ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir.