• Рейтинг:
  • Модель:
    -
  • Доступно:
    Есть в наличии
15 500.00грн.
Есть в наличии

Учебное демонстрационное оборудование по физике - электростатический генератор высокого напряжения Ван де Грааф

При первом взгляде люди вспоминают путая со знаменитой катушкой Тесла, но тут совсем другой принцип работы. Если катушка Тесла создана для передачи электроэнергии на расстоянии без проводов, просто по воздуху, то здесь создаётся статическое электричество. Благодаря данному экспонату можно зарядиться статическим электричеством просто положив руки на шар, и, если вы будете изолированы от земли (например стоять на платиковом стуле), то ваши волосы станут дыбом.

Опробовать Ва де Грааф можете на себе в музее интересной интерактивной науки "ЛандауЦентр" в Харькове, что находится северном корпусе ХНУ имени В. Н. Каразина. Можно использовать как школьное демонстрационное оборудование, так и в музеях науки для демонстрации опытов с электричеством или проводить с ним день рождения и различные весёлые праздники.

Покупайте в ДокМаркете и забирайте самовывозом в Харькове или наложенным платежём по Украине после предоплаты 10% от стоимости.

Теги: фото, видео и цена на Ван де Грааф, купить генератор Ван де Граафа в Харькове, Украина, школьное демонстрационное оборудование по физике

Генератор Ван де Граафа, изобретенный примерно в 1929 году, является популярным инструментом для обучения принципам электростатики. Другие просто называют это «той штукой, от которой волосы встают дыбом». Посмотрите, как это работает.

Американский физик Роберт Дж. Ван де Грааф начал разработку высоковольтного электростатического генератора, носящего его имя, примерно в 1929 году как ускоритель элементарных частиц для физических исследований. Сначала они были относительно небольшими, а потом стали намного больше; один, сделанный в 1933 году, имел высоту 40 футов и мог генерировать 5 миллионов вольт! (Этот генератор сейчас находится в Музее науки в Бостоне, штат Массачусетс.). Ван де Грааф хотел предоставить ученым способ ускорения частиц для атомных исследований. Но его устройство стало известно гораздо более широкой аудитории как средство демонстрации многих принципов электростатики. Поколения студентов наблюдали, как их волосы встают дыбом, когда они кладут руку на генератор. Ещё одна запоминающаяся демонстрация электростатического действия генератора - это создание большой искры между машиной и ближайшим объектом. В этом руководстве показано, как работает электростатический генератор Ван де Граафа и как возникает такая искра.

Как работает генератор

Генератор Ван де Граафа работает благодаря тому, что два ролика и ремень, который циркулирует между ними, сделаны из разных материалов. Это означает, что они не с одинаковой вероятностью разовьют определенный заряд при контакте с другим материалом (чтобы разобраться в этом, вы можете сказать, что они занимают разные позиции в трибоэлектрическом ряду). В этом примере нижний ролик покрыт материалом, который имеет тенденцию терять электроны при контакте с другим материалом, в то время как лента сделана из изоляционного материала, а верхний ролик - из нейтрального металла. Когда нижний ролик входит в контакт с вращающимся ремнем, а затем отрывается от него, возникает дисбаланс заряда, поскольку электроны с ролика захватываются ремнем. Ролик развивает положительный заряд, а лента - отрицательный.

Заряд ремня увеличивается за счет узла нижней щетки. Электроны в металлических зубцах щетки притягиваются сильным положительным зарядом нижнего валика, поэтому эти электроны концентрируются на концах зубцов, которые находятся ближе к валику. Электрическое поле на этих концах становится настолько интенсивным, что электроны в соседних молекулах воздуха отрываются от положительных ядер, с которыми они обычно связываются, силами отталкивания и притяжения. Это приводит к образованию проводящей формы вещества, известной как коронный разряд или плазма. Некоторые из освобожденных электронов в плазме могут затем стать связанными с нейтральными молекулами воздуха, что сделает молекулы отрицательными, а положительные молекулы воздуха могут захватывать электроны от металлических зубцов.

Вместе эти процессы приводят к чистому отрицательному заряду воздуха (ионный ветер), который исходит от кончиков зубов. Проводящая способность плазмы позволяет заряду проходить через изолирующий воздух к сильно положительно заряженному нижнему ролику, к которому он притягивается. Однако вместо того, чтобы достигать ролика, ионный ветер вступает в контакт с лентой, значительно увеличивая отрицательный заряд ленты.

Отрицательно заряженный ремень затем переключается на верхний валик, как показано в руководстве, и приближается ко второй металлической щетке. Здесь разворачиваются события, противоположные тем, что происходят около нижней кисти. Электроны в металлической щетке не подвержены влиянию нейтрального ролика, но отталкиваются сильным отрицательным зарядом ремня; положительные ядра концентрируются в кончиках зубов щетки; и электроны, высвобожденные в образующейся плазме, притягиваются к остриям. Соединение между щеткой и внутренней частью большой металлической сферы позволяет этим электронам вытягиваться от кончиков зубьев к поверхности сферы (явление, часто называемое эффектом ведерка со льдом).

Из-за непрерывного цикла ремня между роликами и узлами щеток отрицательный заряд на поверхности сферы может увеличиваться до тех пор, пока напряжение генератора не станет настолько высоким, что сфера попытается разрядить часть своих электронов на землю. через ближайший объект, например заземленный разрядный стержень, показанный в руководстве. Прыжок электронов с первой сферы на заземленный стержень можно рассматривать как большую искру.

Не все генераторы Ван де Граафа работают одинаково, хотя действуют одни и те же фундаментальные принципы. Например, верхние сферы некоторых машин заряжаются положительно, а не отрицательно, а некоторые работают с помощью ручного кривошипного механизма, а не двигателя.

Многие посетители музеев науки сталкивались с генератором Ван де Граафа. Эти хитрые устройства являются основным продуктом практических демонстраций в лабораториях и на научных ярмарках, восхищая публику, производя «молнию» или заставляя волосы встать дыбом, когда они касаются гладкой сферической поверхности полого металлического шара, являющегося товарным знаком устройства. Но мало кто много знает о человеке, который их первым изобрел: Роберте Джемисоне Ван де Грааффе.

Ван де Грааф

Ван де Грааф родился в Таскалусе, штат Алабама, и получил степень бакалавра наук. и М.С. степень в области машиностроения Университета Алабамы. Он проработал год в Алабамской энергетической компании и учился в Сорбонне, где слушал лекции Марии Кюри о радиации. Впоследствии он выиграл стипендию Родса, получив вторую степень бакалавра наук. получил степень доктора физики в Оксфордском университете в 1926 году, защитив докторскую диссертацию в 1928 году.

Во время учебы в Оксфорде он познакомился с работами Эрнеста Резерфорда в области ядерной физики и идеей Резерфорда о том, что ускорение частиц до очень высоких скоростей может разрушать ядра, что позволяет ученым лучше изучать природу отдельных атомов.

Ван де Грааф вернул идею ускорителя элементарных частиц в Штаты в 1929 году, когда он присоединился к Принстонской лаборатории физики Палмера. Там он сконструировал действующую модель «электростатического ускорителя», способного генерировать 80 000 вольт. В этом примитивном прототипе в качестве ленты для транспортировки заряда, проходящей между двумя металлическими шкивами, использовалась шелковая лента из местного пятидневного магазина.

К ноябрю 1931 года он достаточно усовершенствовал свою конструкцию, чтобы вырабатывать более 1 миллиона вольт, и продемонстрировал свое устройство на первом ужине Американского института физики. Он представил доклад о своем электростатическом ускорителе на встрече APS в том же году.

Он был не единственным ученым, работавшим над подобным проектом. Фактически, основная концепция возникла более чем за 250 лет до Ван де Граафа. Около 1663 года Отто фон Герике сконструировал примитивную электрическую машину трения, используя шар серы, который можно было вращать и тереть вручную. (В «Оптике» Исаак Ньютон предложил заменить серный шар стеклянным.) К 1785 году Н. Роуланд изобрел электростатический генератор, который использовал шелковую ленту, непрерывно проходящую между двумя шкивами, для создания статического электричества. А в 1893 году появился генератор фон Буша, похожая машина, в которой использовались два шкива и ремень с гребенкой коллектора заряда в изолированной сфере.

Вскоре после демонстрации модели Ван де Граафа Джон Д. Кокрофт и Эрнест Уолтон в знаменитой Кавендишской лаборатории в Англии в 1932 году построили свою собственную версию ускорителя элементарных частиц, используя схемы умножителя напряжения для выработки энергии. Однако эта машина была громоздкой и довольно ограниченной по величине напряжения. Конструкция Ван де Граафа в конечном итоге окажется более компактной и способной к более высоким напряжениям и, следовательно, большему ускорению частиц.

В 1932 году Ван де Грааф присоединился к Массачусетскому технологическому институту в качестве научного сотрудника, где он начал создавать крупномасштабную версию своей машины. Размещенный в пустом ангаре для самолетов в местном поместье в Южном Дартмуте, Массачусетс, полноразмерная машина Ван де Граафа могла похвастаться двумя полированными алюминиевыми сферами, установленными на изолирующих колоннах. Эти колонны, в свою очередь, были помещены на грузовики, чтобы поднять сферы на 43 фута над землей.

Он дебютировал со своим изобретением 28 ноября 1933 года, которое стало заголовком, когда оно произвело ошеломляющие (для того времени) 7 миллионов вольт. (Меньшие генераторы Ван де Граафа, используемые для публичных демонстраций, генерируют от 100 000 до 500 000 вольт.) Патент на генератор Ван де Граафа был выдан в феврале 1935 года.

Устройство вызвало восхищение никого иного, как Николы Тесла, который в 1934 году написал в Scientific American статью о новом генераторе Ван де Граафа, заявив: «Я считаю, что, когда новые типы [генераторов Ван де Граафа] будут разработаны и в достаточной степени улучшены им будет обеспечено великое будущее ». Тесла, как всегда, был дальновидным: генераторы с тех пор используются не только в атомной физике, но и в медицине и промышленности.

Гарвардская медицинская школа была первой, кто применил его аппарат в клинической практике для получения рентгеновских лучей для лечения раковых опухолей с помощью излучения в 1937 году. Большой генератор Ван де Граафа был установлен во Дворце де ла Декуверт во время Всемирной выставки в Париже в 1937 году под руководством Фредерика Жолио, заключенного в гигантскую клетку Фарадея. Зрители были в восторге от метровых искр, производимых машиной, и ее дебют был показан на обложках нескольких журналов. Намерение состояло в том, чтобы использовать машину в качестве источника радиоэлементов, но вмешалась вспышка Второй мировой войны, и в конечном итоге она была списана.

Ван де Грааф провел войну в качестве директора Радиографического проекта высокого напряжения, входящего в состав Управления научных исследований и разработок, адаптируя свой электростатический генератор для ВМС США. После окончания войны он вернулся в Массачусетский технологический институт и вместе с Джоном Д. Трампом стал соучредителем High Voltage Engineering Corporation (HVEC). Вскоре HVEC стал основным поставщиком электростатических генераторов, используемых для лечения рака, радиографии и для исследования ядерной структуры в научных лабораториях.

Тандемные ускорители Ван де Граафа впервые появились в 1951 году на основе более ранней работы Уильяма Беннета по принципу тандема в 1937 году. Также в 1950-х Ван де Грааф изобрел трансформатор с изолирующим сердечником для производства постоянного тока высокого напряжения с использованием магнитного поля. поток вместо электростатического заряда, а также множество новых методов управления пучками частиц. Он проработал в Массачусетском технологическом институте до 1960 года, когда ушел в отставку, чтобы работать полный рабочий день в HVEC.

В 1966 году он был награжден премией Тома Боннера APS за свое «устройство, которое неизмеримо продвинуло ядерную физику». Это было особенно уместно, поскольку сам Боннер использовал генератор Ван де Граафа в своей фундаментальной работе по структуре ядра. К тому времени, когда Ван де Грааф умер в Бостоне 16 января 1967 года в возрасте 65 лет, в более чем 30 странах по всему миру было более 500 ускорителей частиц Ван де Граафа.

Теги: Ван де Грааф