Jednym z interesujących urządzeń wysokiego napięcia jest generator Van de Graaffa, urządzenie, które wytwarza dużą różnicę potencjałów w wyniku elektryzacji taśmy dielektrycznej poruszającej się po dwóch rolkach. Maksymalne napięcie różni się w zależności od skali urządzenia i może wynosić od kilkudziesięciu kilowoltów w przypadku małych generatorów stacjonarnych do milionów woltów w przypadku dużych urządzeń, które można wykorzystać do celów naukowych i demonstracyjnych. Za pomocą generatora Van de Graaffa można przeprowadzić wiele spektakularnych eksperymentów, na przykład obserwując, jak małe konfetti unosi się w górę pod wpływem sił elektrycznych lub czyjeś włosy stają dęba, jeśli ciało człowieka jest połączone w określony sposób z iskiernikiem. Do montażu generatora nie będą potrzebne żadne specjalne części - wszystko można znaleźć w domu lub kupić w najbliższych sklepach z narzędziami. Ogólny obwód generatora pokazano poniżej.
Tworzenie generatora Van de Graaffa własnymi rękami
Strukturalnie generator jest rurą, w której obraca się taśma dielektryczna. Odpowiednie naprężenie taśmy zapewniają dwie rolki, u góry i u dołu rury, dolna rolka jest jednocześnie napędem i jest połączona z wałem silnika, który będzie obracał taśmę. W górnej części rury zamocowana jest masywna metalowa kula, która będzie służyć jako akumulator ładunku. Najlepiej nadaje się do tego kształt kuli, gdyż nie posiada ona żadnych ostrych występów, dzięki czemu ładunek będzie akumulował się najskuteczniej: ostre występy mogą doprowadzić do wystąpienia wyładowania koronowego, przez który przepływa zgromadzony ładunek. Aby zrobić prosty domowy generator, możesz użyć dużej patelni jako kuli, instalując ją do góry nogami; hemostatyczna opaska uciskowa z apteki jest idealna jako taśma; rolki można wyciąć na przykład z drewna, styropianu lub potrafi zdemontować wałek malarski. Jako rura obudowa doskonale sprawdzi się rura kanalizacyjna o średnicy 10-11 cm.Pasek można napędzać za pomocą śrubokręta, jeśli ma duże prędkości, lub za pomocą różnych dość mocnych silników z zabawek lub modeli sterowanych radiowo. Montaż rozpoczyna się od znalezienia odpowiednich komponentów.
W przypadku zastosowania rury kanalizacyjnej o średnicy 11 cm optymalna wysokość konstrukcji wyniesie około 1 metr. Cała konstrukcja zostanie zainstalowana na stojaku wykonanym z desek złomowych.
Jako silnik do obracania paska wykorzystuję jednostkę napędową ze sterowanego radiowo helikoptera, czyli parę silników, które wspólnie obracają dużą przekładnię, tworząc w ten sposób skrzynię biegów, która obniża prędkość do pożądanego poziomu i zwiększa moment obrotowy. Napędzana przekładnia mocowana jest na sworzeń M4, który przechodzi od dołu przez całą rurę, w przyszłości zostanie do niej przymocowany wał z rolką. Jak pokazała praktyka, wystarczy jeden silnik helikoptera – mimo dużych rozmiarów, takie silniki mają przyzwoitą moc i bez problemu kręcą całą taśmę wewnątrz obudowy.
Silniki są dociskane od góry metalową listwą, a ustawienie wszystkich kół zębatych jest wstępnie ustalone. Do zasilania silnika w generatorze Van de Graaffa zaleca się stosowanie akumulatorowych źródeł zasilania, które nie są w żaden sposób podłączone do sieci, nawet poprzez izolację galwaniczną transformatora.
Powyższe zdjęcia przedstawiają dolny wałek. Udało im się wyrzeźbić go z dwóch kawałków izolacji penoplex, nadając mu kształt beczki. Należy pamiętać, aby kształt był beczkowaty, z lekkim gładkim zgrubieniem w środku – jeśli trzonek będzie całkowicie gładki, taśma co jakiś czas będzie odskakiwać. Materiał rolek odgrywa znaczącą rolę w konstrukcji generatora - spód powinien być metalowy, a góra plastikowa. W tym przypadku nie jest konieczne wykonanie dolnego wału w całości z metalu, wystarczy przykryć go od góry folią przewodzącą, folia ta musi być także połączona elektrycznie z wałem, na którym osadzony jest wałek.
Wziąłem górny wałek gotowy z wałka malarskiego, idealnie pasuje pod względem kształtu i rozmiaru.Wałek podobnie jak dolny montowany jest na trzpieniu M4, który osadza się w rowkach w górnej części rury, co widać na zdjęciu poniżej.
Opaska hemostatyczna jest sprzedawana w prawie każdej aptece, ma właściwości niezbędne do przenoszenia ładunku, a także jest dość elastyczna. Zakupioną opaskę uciskową należy umyć z talku, wysuszyć, a następnie przyciąć na wymaganą długość z niewielkim marginesem. Aby zamienić taśmę uprzęży w zamknięty okrąg, końce można po prostu skleić ze sobą superklejem z zakładką 2-3 cm, a siła takiego połączenia okazała się więcej niż wystarczająca.
Kolejną częścią generatora są szczotki, za pomocą których ładunek zostanie „nałożony” na taśmę i „odprowadzony” z niej do górnej metalowej kuli. Polecam wykonanie szczotek z kawałka kabla wielożyłowego, który jest odsłonięty przed izolacją, spulchniony i przylutowany do płytek tekstolitowych. Należy wykonać dwa takie pędzle, jeden na dolny wałek, drugi na górny. Dolna szczotka zostanie połączona z dolnym wałkiem i będzie połączona z masą, a górna szczotka zostanie połączona z metalową kulą. Zdjęcie poniżej przedstawia gotowe pędzle.
Szczotki montuje się bezpośrednio przy rolkach na górze i na dole, odległość taśmy od końców szczotek powinna być jak najmniejsza, ale taśma nie powinna ich dotykać. Poniżej możesz zobaczyć zainstalowane szczotki odpowiednio na górze i na dole.
Teraz pozostaje tylko wykonać podpory, na których stanie górna kula - w moim przypadku znaleziono dla niej bardziej przystępny analog w postaci odwróconej patelni. Do szczotki podłączony jest kawałek drutu wystający ponad poziom podpór, który zapewni jej kontakt z kulą.
W dolnej części konstrukcji za pomocą tego samego kawałka drutu zapewniony jest kontakt wału, rolki i szczeliny z uziemieniem.Należy pamiętać, że aby generator mógł działać, wymagane jest dobre uziemienie.
Kula jest instalowana jako ostatnia, a generator jest teraz gotowy do uruchomienia. Po włączeniu pojawi się różnica potencjałów pomiędzy podłożem (dolny wałek) a górną kulą. Będzie wzrastać, dopóki nie nastąpi przebicie elektryczne w powietrzu lub rurze, lub dopóki tempo wzrostu ładunku nie przekroczy tempa jego „odpływu” z kuli w wyniku wyładowań koronowych. Wydajność generatora silnie zależy od wilgotności powietrza - im bardziej wilgotne powietrze, tym większe straty na skutek wyładowań koronowych, a co za tym idzie, można uzyskać niższe napięcie. Możesz zwiększyć szybkość gromadzenia się ładunku, zwiększając prędkość obrotową paska, jednocześnie wzrasta maksymalne napięcie generatora. Aby wyładować kulę należy zbliżyć do niej uziemiony metalowy przedmiot. Jeśli obiekt ten ma ostre krawędzie, ładunek będzie przepływał płynnie w postaci wyładowania koronowego, które można zobaczyć tylko w całkowitej ciemności. Jeśli obiekt ma gładkie linie, to gdy zbliży się do kuli na pewną odległość, nastąpi przebicie elektryczne powietrza z dość głośnym dźwiękiem i błyskiem. Eksperymentując z generatorem, należy zachować ostrożność, mimo że ma on wyjątkowo małą moc, impulsy napięcia o wartości setek kilowoltów mogą powodować szkody dla zdrowia.
