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.
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.
Американскому физику Роберту ван де Граафу довелось родиться и творить на стыке двух великих научных эпох – электричества и ядерной физики. Созданный им в 1929 году генератор, вошедший в историю под его именем, предназначался для первых физических ядерных исследований в качестве ускорителя частиц. Спустя всего два года, установка выдавала разряды мощностью до 7 млн. вольт.
Принцип действия генератора Ван де Граафа
Генератор Ван де Граафа — один из первых линейных ускорителей. Тем не менее воспроизвести его действующую модель по силам любому, кто хоть немного разбирается в электротехнике.
Генератор состоит из двух сфер, на которые подаются положительные и отрицательные заряды, диэлектрической закольцованной ленты, натянутой на 2 вращающихся валика (верхнего и нижнего), двух электродов в виде щеток, расположенных около валиков, причем верхний электрод замкнут на внутреннюю поверхность сферы, а нижний соединен с источником высокого напряжения.
Устройство начинает работать с вращением ленты, натянутой на валики. Верхний валик изготовлен из диэлектрического материала, а нижний – из металла с заземлением. Верхний электрод соединен с металлической сферой, а нижний, связанный с источником высокого напряжения, ионизирует окружающий воздух и создает положительные ионы, «прилипающие» к движущейся ленте.
Она, подобно транспортеру, «доставляет» положительные заряды «наверх», где с валика их снимает щеточный электрод, перебрасывая на внутреннюю поверхность сферы, где заряды накапливаются.
Одновременно на другой сфере происходит накопление отрицательных зарядов. Как только накопленный потенциал достигает критического уровня, происходит электрический разряд.
На заре ядерной эпохи генератор Ван де Граафа какое-то время использовался в качестве линейного ускорителя частиц. Но его активная научная «карьера» продолжалась недолго. Очень скоро появились ускорители нового поколения, несоизмеримые по мощности и возможностям со своим предшественником.
Однако в отличие от своих «ровесников», электротехнических устройств середины прошлого века, списанных в утиль, генератор Ван де Граафа ведет довольно активную жизнь. Из ведущих исследовательских центров он перебрался в школьные физклассы и институтские лаборатории, став, к примеру, незаменимым учебным пособием для моделирования природных разрядов в газовой среде.
Пожалуй, одним из самых известных опытов носит название «волосы дыбом». Для этого нужно встать на резиновый коврик или деревянную доску и прикоснуться к включенному генератору Ван де Граафа. Обладателей пышной шевелюры ждет сюрприз, достойный снимка с последующим размещением в Instagram.
Генератор Ван де Граафа своими руками
В нем воплощен известный тезис: «Все гениальное просто». В YouTube и на интернет-сайтах можно встретить десятки вариантов действующих генераторов Ван де Граафа, изготовленных руками умельцев из абсолютно доступных подручных материалов – карандашей, обрезков водопроводных труб ПВХ, резинок, канцелярских скрепок, батареек, электродвигателей от игрушек, скотча, проводов и т. д. Данный перечень ограничивается лишь фантазией и квалификацией изобретателей.
Наиболее доступным является вариант с обрезком трубы ПВХ, внутри которого на осях крепятся вращающиеся валики, соединенные между собой прочной лентой. Для установления осей необходимо с помощью разогретого паяльника вверху и внизу проделать параллельные отверстия.
Перпендикулярно к нижней оси проделывается еще одно отверстие для щетки. Нижний валик и щетка соединяется с электромотором. В качестве сферы можно задействовать использованную банку из-под газировки емкостью 0,33 л. К стороне, обращенной внутрь трубы, прикрепляется щетка для снятия положительного заряда. После этого конструкция собирается. Все, можно запускать. Через пару минут следует поднести банку-сферу к струйке воды, и она под действием магнитного поля слега отклонится. Что и требовалось доказать.
Это инструкции о том, как я построил Генератор Ван де Графа своими руками из некому ненужного мусора. Вот он на рисунке:
Итак, первое, что нужно сделать, это собрать все необходимые компоненты. Они включают в себя: 1 карандаш, два старых высохших пасты, кусок трубу ПВХ, одна мертвая лампочка, длинный кусок резинки, скрепка, алюминиевая фольга, скотч, один маленький двигатель от игрушки, девятивольтовая батарея, и немного провода, ну и основание – деревянная дощечка. Все видно на фото:
Первым шагом на ваших действий станет сверления отверстия под трубку в основании основания. Нужно взять дрель с перьевым сверлом нужного диаметра, чтобы ПВХ трубка плотно входила.
Следующее, вы делаете два сквозных отверстия через обе стороны трубки. Расстояние между отверстиями такое, чтобы при вставке пасты и натягом между пастами резинки так чтоб резинка была слегка натянута. Убедитесь, что резинка сидит не слишком туго иначе она будет остановить двигатель.
Затем делаем еще два отверстия в трубке. Первое отверстие должны быть просверлено чуть выше первого на той же оси. Второе отверстие должно быть прямо перпендикулярно нижнему. Внимательно посмотрите на фото:
Теперь необходимо вытащить чернила из пасты. Я использовал ленту галстук, как те, которые приходят с мешки для мусора, чтобы очистить пасту. Что используете Вы думайте сами.
Далее вам вырезать кусок пасты по длине внутренний диаметр труб из ПВХ. Затем возьмите скрепку и вырежьте кусочек достаточной длины, так чтоб кусочек выступал из трубки как минимум на сантиметр. Смотрите фото:
Как Вы наверное догадались таких валика нам понадобится два. Перед сборкой необходимо собрать диэлектрическую пленку. Она делается из скотча и нашей резинки. Резинка обклеивается скотчем, чтоб клеящие стороны были слеины друг с другом. Можно и не обклеивать полоску скотча, а просто надеть с верху резинку для прижимку к нашим роликам.
Потом возьмем ластик от карандаша и соберём нашу конструкцию как показано на рисунке ниже. Для надежности соединения супер клеем вал мотора приклеивается к ластику и скрепке.
Следующим шагом будем добавить щетки, которые собирают заряд. Нижняя кисть, как показано на картинке слева проходит через отверстие в нижней части, конечик проволоки должен быть размохрён. Вы должны убедиться, что кисти близки к резинке, но не должны прикосаться к ней. Верхняя кисть, как показано на рисунке справа проходит через верхнее отверстие.
Следующий этап и финал - обклеиваем сгоревшую лампочку куском алюминиевой фольги. Ключевую роль в обеспечении алюминиевого проводини больше заряда для того чтобы собрать его как можно больше. Потом к этой фольге на лампе подключаем верхний провод и нашу лампу-электрод вставляем на верх всей конструкции. Ну, вот что вы теперь знаете, как построить самим генератор Ван де Графа.
Генератор Ван де Граафа активно используется в различных лабораториях, а также его можно встретить в политехнических музеях и всех тех местах, где проводятся эксперименты с электричеством. Это устройство способно создавать электростатический ток мощностью в несколько тысяч вольт.
Такое название генератор получил в честь голландского физика Р. Дж. Ван де Граафа, которым в 1931 году была создана эта интересная машина. Сегодня подобные установки активно демонстрируются в школе на уроках физики, их называют электрофорными машинами. В этой статье речь пойдет о том, как своими руками можно сделать уменьшенную копию такого генератора из подручных материалов.
Материалы и инструменты для самоделки :
- маленький гвоздь;
- пустые алюминиевые банки от напитков;
- кольцевая резинка (около 0.5 см шириной и диаметром 8-10 см);
- маленький электрический моторчик (от игрушки, фена и т.п.);
- стеклянный предохранитель (размер 5x20 мм);
- «крокодильчик» (зажим);
- фиксатор для батареи;
- бумажный стаканчик или чашка из пенополистирола;
- тюбик клея для пластика или пистолет с горячим клеем;
- два куска медного провода;
- два куска сантехнической ПВХ трубы диаметром 3/4 дюйма;
- муфта из ПВХ на 3/4 дюйма;
- сантехнический тройник 3/4 дюйма;
- деревянная подставка и изолнета.
Процесс сборки генератора:
Шаг первый. Собираем корпус генератора
Корпус генератора состоит из ПВХ труб, в качестве основы используется деревянная подставка. Сперва нужно взять основание и приклеить к нему кусок пластиковой трубы длиной 5-7 см (диаметр используемых труб 3/4 дюйма). Далее на эту трубу надевается ПВХ сантехнический тройник. Благодаря такой конструкции устройство можно будет легко разобрать, если понадобится заменить резинку или провести какие-либо другие работы внутри.
Теперь можно устанавливать двигатель, он вставляется в отверстие тройника и располагается горизонтально. Если окажется, что диаметр моторчика будет слишком маленьким, его нужно обмотать изолентой, он должен входить в корпус тройника с некоторым усилием. Чтобы вал двигателя мог взаимодействовать с резинкой, на него нужно надеть кусочек трубочки. Подойдет ампула гелиевой ручки или лучше всего мягкий резиновый кембрик от провода, это будет обеспечивать отличное сцепление с лентой.
После установки двигателя нужно взять дрель и просверлить напротив вала двигателя небольшое отверстие. Затем в него нужно вставить кусок многожильного провода, разлохмаченного на конце. Он будет снимать с ленты электрический заряд. Провод можно закрепить с помощью горячего клея или скотча. Теперь осталось только надеть на вал двигателя резинку и вытащить другой ее конец через верхнюю часть. После этого можно переходить к следующему этапу.
Шаг второй. Делаем вторую ось
Теперь нужно взять еще один кусок ПВХ трубы и отрезать от него кусок в 5-7 сантиметров, он будет вставляться в верхнюю часть тройника. Длина этого куска трубы должна быть такой, чтобы резинка не была слишком сильно натянута, иначе она не сможет вращаться. Но лента и не должна сильно провисать. После того как будет достигнута определенная длина, резинку можно временно зафиксировать вверху гвоздем.
Далее нужно взять полистироловый стаканчик и сделать в ее нижней части отверстие 3/4 дюйма. Стаканчик надевается на трубку донышком вверх, труба должна заходить в него плотно. Он нужен для того, чтобы на заключительном этапе установить алюминиевую банку.
После установки стаканчика в верхней части трубы нужно просверлить три отверстия. Два нужно для того, чтобы вставить второй вал, а третье для установки контакта. В качестве вала используется гвоздь, на который надевается кусочек стеклянной трубочки. При вращении она имеет самое маленькое трение. Такую трубочку автор сделал из стеклянного предохранителя. Чтобы снять металлические колпачки, их нужно сперва нагреть паяльником, а потом осторожно стащить плоскогубцами.
Ну а далее останется подключить вторую щетку, как и в первом случае нужно расправить щетину на проводе и сделать так, чтобы он находился от ленты на минимальном расстоянии, но не касался ее. Провод фиксируется скотчем или клеем.
Опять же, чтобы система проще разбиралась, можно сделать верхнюю часть съемной, используя муфту для пластиковой трубы. Как это сделать, можно увидеть на фото.
Шаг третий. Заключительный процесс сборки
На этом этапе конструкция будет собрана полностью. Сперва нужно зафиксировать стаканчик, для этого можно использовать горячий клей или специальный клей для пластика.
После этого можно устанавливать алюминиевую банку, для этого в верхней ее части нужно вырезать отверстие, подходящее по диаметру к стаканчику. Банка должна плотно сесть на него.
Благодаря закругленным краям, такая банка отлично подходит для работы с высоким напряжением, поскольку минимизируется «коронный разряд». Также нужно не забыть пропустить внутрь банки свободный конец провода от верхней щетки.
Ну а теперь остается лишь подключить систему к источнику питания, это может быть или батарея или же любой другой источник питания подходящего напряжения. Если конструкция собрана верно, к банке должны притягиваться кусочки бумаги, а на ощупь разряд тока чувствуется как легкое покалывание. Если этих явления не наблюдается, то возможно где-то допущена ошибка. Можно попробовать использовать другую резинку и проверить зазор контактов между ней.
