Генератор Ван де Граафа - Van de Graaff generator

Эта статья о машине, используемой для накопления электрического заряда на металлическом глобусе. Для группы прогрессив-рок см. Генератор Ван дер Граафа.
Генератор Ван де Граафа
Большая металлическая сфера поддерживается на прозрачной пластиковой колонне, внутри которой отчетливо виден резиновый пояс: меньшая сфера поддерживается на металлическом стержне. Оба смонтированы на опорную плиту, на которой находится небольшой электрический двигатель вождения.
Маленький генератор Ван де Граафа, используемый в естественнонаучном образовании
ИспользуетУскорение электроны стерилизовать продукты питания и технологические материалы, ускоряя протоны для ядерная физика эксперименты, производящие энергичные Рентгеновский балки в ядерная медицина, физическое образование, развлечения
ИзобретательРоберт Дж. Ван де Грааф
Похожие материалыВан де Грааф, линейный ускоритель частиц

А Генератор Ван де Граафа является электростатический генератор который использует движущуюся ленту для накопления электрический заряд на полой металлической сфере на вершине изолированной колонны, создавая очень высокие электрические потенциалы. Он производит очень высокое напряжение постоянный ток (DC) электричество при низких уровнях тока. Его изобрел американский физик. Роберт Дж. Ван де Грааф в 1929 г.[1] В разность потенциалов достигаемая современными генераторами Ван де Граафа может достигать 5 мегавольт. Настольная версия может вырабатывать порядка 100 000 вольт и может хранить достаточно энергии, чтобы произвести видимую искру. Маленькие машины Ван де Граафа производятся для развлечения и для обучения физике. электростатика; большие отображаются в некоторых научные музеи.

Генератор Ван де Граафа был разработан как ускоритель частиц для физических исследований; его высокий потенциал используется для ускорения субатомные частицы до больших скоростей в откачанной трубе. Это был самый мощный ускоритель 1930-х годов до циклотрон был развит. Генераторы Ван де Граафа до сих пор используются в качестве ускорителей для генерации энергичных частиц и Рентгеновский балки для ядерные исследования и ядерная медицина.

Ускорители Ван де Граафа с пучками частиц часто используются в "тандем Конфигурация: сначала отрицательно заряженные ионы вводятся на одном конце в сторону вывода с высоким потенциалом, где они ускоряются силой притяжения в направлении вывода. Когда частицы достигают вывода, они лишаются некоторых электронов, чтобы сделать их положительно заряженными и впоследствии ускоряется отталкивающими силами вдали от терминала.Эта конфигурация приводит к двум ускорениям по цене одного генератора Ван-де-Граафа и имеет дополнительное преимущество в том, что сложные приборы ионного источника остаются доступными вблизи потенциала земли.

Напряжение, создаваемое машиной Ван де Граафа под открытым небом, ограничено дуговым разрядом и коронный разряд примерно до 5 мегавольт. Большинство современных промышленных машин заключены в резервуар с изоляционным газом под давлением; они могут достигать потенциала около 25 мегавольт.

Описание

Схема генератора Ван де Граафа
Искра от самого большого в мире генератора Ван де Граафа с воздушной изоляцией на Музей науки в Бостоне, Массачусетс

Простой генератор Ван де Граафа состоит из ремня из резины (или аналогичного гибкого диэлектрик материала), перемещаясь по двум роликам из разного материала, один из которых окружен полой металлической сферой.[нужна цитата ] Два электроды, (2) и (7) в виде гребневидных рядов острых металлических наконечников расположены около нижней части нижнего ролика и внутри сферы над верхним роликом. Гребень (2) подсоединен к сфере, а гребень (7) - к земле. Метод зарядки основан на трибоэлектрический эффект, такой, что простой контакт разнородных материалов вызывает перенос некоторых электронов от одного материала к другому. Например (см. Диаграмму), резина ремня будет заряжена отрицательно, а акриловое стекло верхнего ролика - положительно. Ремень уносит отрицательный заряд на своей внутренней поверхности, а верхний ролик накапливает положительный заряд. Затем сильное электрическое поле, окружающее положительный верхний ролик (3), индуцирует очень сильное электрическое поле около точек ближайшей гребенки (2). В точках поле становится достаточно сильным, чтобы ионизировать молекулы воздуха, и электроны притягиваются к внешней стороне ремня, а положительные ионы направляются к гребенке. В гребне (2) они нейтрализуются электронами, которые находились на гребне, таким образом, оставляя гребень и присоединенную внешнюю оболочку (1) с меньшим количеством чистых электронов. По принципу, проиллюстрированному в Фарадеевский эксперимент с ледяным ведром, т.е. Закон Гаусса избыточный положительный заряд накапливается на внешней поверхности внешней оболочки (1), не оставляя поля внутри оболочки. Электростатическая индукция этим методом продолжается, накапливая очень большие количества заряда на оболочке.

В данном примере нижний ролик (6) выполнен из металла, который снимает отрицательный заряд с внутренней поверхности ремня. Нижний гребень (7) создает сильное электрическое поле в своих точках, которое также становится достаточно большим для ионизации молекул воздуха. В этом случае электроны притягиваются к гребенке, а положительные ионы воздуха нейтрализуют отрицательный заряд на внешней поверхности ремня или прикрепляются к ремню. Точный баланс зарядов на восходящей и нисходящей сторонах ленты будет зависеть от комбинации используемых материалов. В этом примере лента, движущаяся вверх, должна быть более положительной, чем лента, движущаяся вниз. По мере того, как лента продолжает двигаться, через нее проходит постоянный «зарядный ток», и сфера продолжает накапливать положительный заряд до тех пор, пока этот заряд не будет теряться (из-за утечки и коронный разряд ) равен зарядному току. Чем больше сфера и чем дальше она от земли, тем выше будет ее пиковый потенциал. В этом примере жезл с металлической сферой (8) заземлен, как и нижний гребень (7); электроны поднимаются от земли из-за притяжения положительной сферой, и когда электрическое поле достаточно велико (см. ниже), воздух разрывается в виде искры электрического разряда (9). Поскольку материал ленты и роликов может быть выбран, накопленный заряд на полой металлической сфере может быть положительным (дефицит электронов) или отрицательным (избыточные электроны).

Описанный выше фрикционный генератор проще построить для научных выставок или самодельных проектов, так как он не требует источника высокого напряжения. Более высокие потенциалы могут быть получены с помощью альтернативных конструкций (не обсуждаемых здесь), в которых источники высокого напряжения используются в верхнем и / или нижнем положениях ленты для более эффективной передачи заряда на ленту и с нее.

Для работы терминал генератора Ван де Граафа не обязательно должен иметь сферическую форму, и на самом деле оптимальная форма - это сфера с изгибом внутрь вокруг отверстия, в которое входит ремень. Закругленная клемма минимизирует электрическое поле вокруг нее, позволяя достичь больших потенциалов без ионизации воздуха или других диэлектрический газ, окружающие. Вне сферы электрическое поле становится очень сильным, и приложение зарядов непосредственно извне вскоре будет предотвращено полем. Поскольку электрически заряженные проводники не имеют внутри электрического поля, заряды могут добавляться непрерывно изнутри, не увеличивая их до полного потенциала внешней оболочки. Поскольку генератор Ван-де-Граафа может подавать такой же небольшой ток практически при любом уровне электрического потенциала, это пример почти идеального Источник тока.

Максимально достижимый потенциал примерно равен радиусу сферы р умноженный на электрическое поле EМаксимум при котором в окружающем газе начинают формироваться коронные разряды. Для воздуха стандартной температуры и давления (STP ) поле разбивки составляет около 30 кВ / см. Следовательно, можно ожидать, что полированный сферический электрод диаметром 30 см будет развивать максимальное напряжение. VМаксимум = р·EМаксимум около 450 кВ. Это объясняет, почему генераторы Ван де Граафа часто изготавливаются с максимально возможным диаметром.

Генератор Ван де Граафа для образовательного использования в школах
Со снятым верхним выводом в форме сосиски
Гребешковый электрод внизу, который накапливает заряд на ремне
Сверху гребенчатый электрод, снимающий заряд с ремня

История

В Атомный сокрушитель Westinghouse, 5 МэВ Генератор Ван де Граафа, построенный в 1937 г. Westinghouse Electric компания в Форест-Хиллз, Пенсильвания
Этот генератор Ван де Граафа первого венгерского линейного ускорителя частиц достиг 700 кВ в 1951 году и 1000 кВ в 1952 году.
Ускоритель частиц Ван де Граафа в резервуаре под давлением на Университет Пьера и Марии Кюри, Париж

Концепция электростатического генератора, в котором заряд механически переносится в небольших количествах внутрь высоковольтного электрода, возникла в Капельница Кельвина, изобретенный в 1867 г. Уильям Томсон (Лорд Кельвин),[2] в котором заряженные капли воды падают в ведро с зарядом той же полярности, добавляя к заряду.[3] В машине этого типа сила гравитации перемещает капли против встречного электростатического поля ведра. Сам Кельвин сначала предложил использовать пояс для переноса заряда вместо воды. Первая электростатическая машина, которая использовала бесконечный ремень для переноса заряда, была построена в 1872 г. Аугусто Риги.[1][3] Он использовал каучук пояс с проволочными кольцами по всей длине в качестве носителей заряда, которые переходили в сферический металлический электрод. Заряд на ленту подавался с заземленного нижнего ролика путем электростатическая индукция с помощью заряженной пластины. Джон Грей также изобрел ленточную машину около 1890 года.[3] Еще одна более сложная ленточная машина была изобретена в 1903 году Хуаном Бурбоа.[1][4] Более непосредственным источником вдохновения для Ван де Граафа стал генератор В. Ф. Дж. Суонн Развивалась в 1920-х годах, когда заряд переносился на электрод падающими металлическими шариками, возвращаясь, таким образом, к принципу капельницы Кельвина.[1][5]

Причина того, что заряд, извлеченный из ленты, перемещается за пределы сферического электрода, хотя он уже имеет высокий заряд той же полярности, объясняется Фарадеевский эксперимент с ведром со льдом.[6]

Генератор Ван де Граафа был разработан, начиная с 1929 года, физиком Робертом Дж. Ван де Граафом в Университет Принстона со стипендией, с помощью коллеги Николаса Берка. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года.[нужна цитата ][7] В первой машине использовалась обычная консервная банка, небольшой мотор и шелковая лента, купленная в магазине. пятидесятилетний магазин. После этого он пошел к председателю физического факультета и попросил 100 долларов на создание улучшенной версии. Он с трудом получил деньги. К 1931 году он мог сообщить о достижении 1,5 миллиона вольт, заявив: «Устройство простое, недорогое и портативное. Единственное необходимое питание обеспечивает обычная розетка для лампы».[8][9] Согласно заявке на патент, он имел две сферы накопления заряда диаметром 60 см, установленные на боросиликатное стекло колонны высотой 180 см; в 1931 году аппарат стоил всего 90 долларов.[10][требуется полная цитата ]

Ван де Грааф подал заявку на второй патент в декабре 1931 года, который был передан Массачусетский Институт Технологий в обмен на долю чистой прибыли; позже был выдан патент.[нужна цитата ]

В 1933 году Ван де Грааф построил 12-метровую модель в Массачусетском технологическом институте. Round Hill объект, в пользование которым пожертвовал Полковник Эдвард Х. Р. Грин.[нужна цитата ]

В одном из ускорителей Ван де Граафа использовались два заряженных купола достаточного размера, чтобы внутри каждого из куполов были лаборатории - один для обеспечения источника ускоренного пучка, а другой для анализа фактического эксперимента. Электропитание для оборудования внутри куполов было от генераторов, которые работали на ленте, и несколько сеансов закончились ужасно, когда голубь попытался пролететь между двумя куполами, заставив их разрядиться. (Ускоритель был установлен в ангаре самолета.)[нужна цитата ]

В 1937 г. Westinghouse Electric компания построила машину длиной 65 футов (20 м), Атомный сокрушитель Westinghouse способен генерировать 5 МэВ в Форест-Хиллз, Пенсильвания. Это положило начало ядерным исследованиям в гражданских целях.[11][12] Он был выведен из эксплуатации в 1958 году и был снесен в 2015 году.[13]

Более поздней разработкой является тандемный ускоритель Ван де Граафа, содержащий один или несколько генераторов Ван де Граафа, в которых отрицательно заряжены ионы ускоряются через один разность потенциалов перед тем, как лишиться двух или более электронов внутри высоковольтного терминала и снова ускориться. Пример трехступенчатой ​​работы был построен в Оксфордской ядерной лаборатории в 1964 году из несимметричного «инжектора» на 10 МВ и тандема EN 6 МВ.[14][страница нужна ]

К 1970-м годам на выходе тандема, в котором использовался резервуар высокого давления, можно было достичь 14 миллионов вольт. гексафторид серы (SF6) газа для предотвращения искрения за счет захвата электронов. Это позволило генерировать пучки тяжелых ионов в несколько десятков мегаэлектронвольт, достаточные для изучения прямых ядерных реакций легких ионов. Наибольший потенциал, поддерживаемый ускорителем Ван де Граафа, составляет 25,5 МВ, что достигается тандемом на установке радиоактивных ионов Холифилда в г. Национальная лаборатория Окриджа.[15]

Дальнейшим развитием является пеллетрон, где резиновая или тканевая лента заменяется цепочкой из коротких проводящих стержней, соединенных изоляционными звеньями, а электроды ионизации воздуха заменяются заземленным роликом и электродом индукционной зарядки. Цепь может работать с гораздо большей скоростью, чем лента, а достигаемые напряжение и токи намного выше, чем у обычного генератора Ван де Граафа. Ускоритель тяжелых ионов 14 UD на Австралийский национальный университет вмещает пеллетрон на 15 миллионов вольт. Его цепи имеют длину более 20 метров и могут двигаться со скоростью более 50 километров в час (31 миль в час).[16]

Объект ядерной структуры (NSF) в Лаборатория Дарсбери была предложена в 1970-х годах, введена в эксплуатацию в 1981 году и открыта для экспериментов в 1983 году. Она состояла из тандемного генератора Ван де Граафа, работающего обычно на 20 МВ и размещенного в необычном здании высотой 70 метров. За время своего существования он ускорил 80 различных ионных пучков для экспериментального использования, от протонов до урана. Особенностью была возможность ускорять редкие изотопные и радиоактивные пучки. Возможно, самым важным открытием, сделанным с использованием NSF, было открытие супердеформированных ядер. Эти ядра, образованные в результате слияния более легких элементов, очень быстро вращаются. Характер гамма-лучей, излучаемых при замедлении, дал подробную информацию о внутренней структуре ядра. После финансовых сокращений NSF закрылся в 1993 году.[17][требуется проверка ]

Развлекательные и образовательные генераторы

Женщина трогает генератор Ван де Граафа в Американский музей науки и энергетики. Заряженные пряди волос отталкиваются друг от друга и выделяются из ее головы.
Образовательная программа в Театре Электричества, Бостонский музей науки демонстрирует самый большой в мире генератор Ван де Граафа с воздушной изоляцией, построенный Ван де Граафом в 1930-х годах.

Самый большой в мире генератор Ван де Граафа с воздушной изоляцией, построенный доктором Ван де Граафф в 1930-х годах, теперь постоянно выставлен в Бостонском музее. Музей науки. С двумя соединенными 4,5 м (15 футов) алюминий сферы, стоящие на колоннах высотой 22 фута (6,7 м), этот генератор часто может получить 2 МВ (2 миллиона вольт ). Показывает использование генератора Ван де Граафа и нескольких Катушки Тесла проводятся два-три раза в день. Многие научные музеи, такие как Американский музей науки и энергетики, выставьте на обозрение малогабаритные генераторы Ван де Граафа и используйте их статические свойства, чтобы создать «молнию» или заставить волосы встать дыбом. Генераторы Ван де Граафа также используются в школах и научных выставках.

Сравнение с другими электростатическими генераторами

Другой электростатические машины словно Машина Вимшерста или машина Bonetti работает аналогично Van De Graaff; Заряд переносится перемещением пластин, дисков или цилиндров к высоковольтному электроду. Однако для этих генераторов коронный разряд от открытых металлических частей при высоких потенциалах и плохой изоляции приводит к меньшим напряжениям. В электростатическом генераторе скорость переносимого заряда (текущий ) к высоковольтному электроду очень мало. После запуска машины напряжение на оконечном электроде увеличивается до тех пор, пока ток утечки из электрода не сравняется со скоростью переноса заряда. Таким образом, утечка с клеммы определяет максимально достижимое напряжение. В генераторе Ван де Граафа ремень позволяет переносить заряд внутрь большого полого сферического электрода. Это идеальная форма для минимизации утечки и коронного разряда, поэтому генератор Ван де Граафа может генерировать максимальное напряжение. Вот почему конструкция Ван де Граафа использовалась для всех электростатических ускорителей частиц. Как правило, чем больше диаметр и чем более гладкая сфера, тем более высокое напряжение может быть достигнуто.[18][требуется проверка ][нужен лучший источник ]

Патенты

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d Van de Graaff, R.J .; Комптон, К. Т .; Ван Атта, Л. К. (февраль 1933 г.). «Электростатическое производство высокого напряжения для ядерных исследований» (PDF). Физический обзор. 43 (3): 149–157. Bibcode:1933ПхРв ... 43..149В. Дои:10.1103 / PhysRev.43.149. Получено 31 августа, 2015.
  2. ^ Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «О самодействующем устройстве для умножения и поддержания электрических зарядов с приложениями к теории Вольта». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. Серия 4. 34 (231): 391–396. Получено 1 сентября, 2015.
  3. ^ а б c Грей, Джон (1890). Машины электрического воздействия. Лондон: Whittaker and Co., стр. 187–190.
  4. ^ Патент США № 776997, Хуан Г. Х. Бурбоа Статическая электрическая машина, подана 13 августа 1903 г., предоставлена ​​6 декабря 1904 г.
  5. ^ Суонн, У. Ф. Г. (1928). «Устройство для получения высоких потенциалов». Журнал Института Франклина. 205: 828.
  6. ^ Янг, Хью Д .; Фридман, Роджер А. (2012). Университетская физика, 13-е изд.. Pearson Education, Inc., стр. 742–743. ISBN  978-0321696861.
  7. ^ «Институт химии - Еврейский университет в Иерусалиме». Архивировано из оригинал на 2006-09-04. Получено 2006-08-31.
  8. ^ ван де Грааф, Р. Дж. (1931-11-15). «Протокол собрания в Скенектади 10, 11 и 12 сентября 1931 года: электростатический генератор на 1500000 вольт». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 38 (10): 1919–1920. Дои:10.1103 / Physrev.38.1915. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Время Нильса Бора, Abraham Pais, Oxford University Press, 1991, стр. 378-379.
  10. ^ «Генератор Ван де Граафа», в «Справочнике по электротехнике», (ред.), CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, США, 1993 ISBN  0-8493-0185-8
  11. ^ Токер, Франклин (2009). Питтсбург: новый портрет. п. 470. ISBN  9780822943716.
  12. ^ "Ускоритель частиц Ван де Граафа, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Питтсбург, Пенсильвания, 7 августа 1945 г.". Изучите историю PA. WITF-TV. Получено 19 февраля, 2015.
  13. ^ О'Нил, Брайан (25 января 2015 г.). «Брайан О'Нил: с падением атомной бомбы в Форест-Хиллз часть истории рушится». Pittsburgh Post-Gazette.
  14. ^ Дж. Такач, Энергетическая стабилизация электростатических ускорителей, Джон Уайли и сыновья, Чичестер, 1996
  15. ^ «Американское физическое общество назвало объект ORNL Holifield Facility историческим физическим объектом». Национальная лаборатория Ок-Ридж.
  16. ^ «Ускоритель частиц».
  17. ^ Дж. С. Лилли, 1982 Phys. Scr. 25 435-442 Дои:10.1088/0031-8949/25/3/001 )
  18. ^ «Электростатическая машина Бонетти». www.coe.ufrj.br. Получено 2010-09-14.

внешние ссылки