Кабинет физики у многих почему-то ассоциируется именно с генератором Ван де Граафа. Это такая гудящая штука, которая позволяет поднимать волосы на голове, если за неё держаться, и высекать молнии с помощью специальной приспособы.
Технически - это портативное устройство для создания молнии. Причем, молнии могут быть очень даже внушительными! Устройство было продемонстрировано в Мистере Бине, если кто-то помнит серию про фестиваль науки :) Ведь и у авторов задумки кабинет физики ассоциируется именно с этим устройством.
Как она работает и для чего изначально была нужна ученым? Все подробности ниже, поэтому дочитывайте материал до конца!
Теоретические основы процесса
Известно, что если погладить кошку, то мы будем ощущать этакие легкие потрескивания. Подобные реакции мы будем наблюдать и в случае, если потрем расчёску о сухие волосы. Это ведь один из первых опытов, который нам показывают в школьной лаборатории.
С физической точки зрения, при таких потираниях происходит разделение зарядов.
Заряды одного знака скапливаются на одном предмете, а заряды второго - на другом. Помогают им разные материалы, у которых разная способность "собирать" подходящие заряды одного знака. С помощью механической работы мы разделяем положительные заряды и отрицательные, создавая условия для потенциального существования электрического тока. Именно от этого появляются искорки, потрескивания и покусывания разрядами.
Если организовать благоприятные условия, то два тела с накопленными зарядами способны разряжаться друг на друга, а со стороны мы увидим молнию. Именно что молнию, потому что процесс "пробивки" электрического тока через атмосферу и есть этот природный механизм.
Этот интересный эффект можно вполне использовать. Например, при поглаживании кошки, запасать заряды в куда больших масштабах, чем может накопить расчёска.
Собственно, это конечно смешно, но такое было в одной из серий Чип и Дейла :)...Но мы о другом. У физика Ван де Граафа появилась идея сохранить этот вырабатываемый заряд интересным способом. В 1929 появился первый генератор, который в итоге и назвали генератором Ван де Граафа.
Для чего науке нужен генератор Ван де Граафа?
Надеюсь, вы понимаете, что генерировать искусственные молнии для школьников или поднимать волосы на голове (или юбки, в случае Мистера Бина) - далеко не главное применение этого генератора :)
Изначально это нехитрое устройство выступало в качестве ускорителя частиц. Сегодня мы все много раз слышали про адронные коллайдеры и прочие ускорители, которые используют физики. Но принцип ускорения частиц не обязательно должен быть электромагнитным.
Генератор Ван де Граафа позволял получать сверх-высокие напряжения, посредством которых можно было добиться ускорения частиц при разряде. Это так называемый электро-статический принцип ускорения и сейчас он почти уже не используется. Частицы, которые можно так ускорить уже изучены при параметрах, которые способен выдать генератор. Дальше мы уже дружно шагаем в квантовый мир.
Правда генераторы используются до сих пор и являются удобным способом ввода заряженных частиц в уже более современные ускорители.
Устройство генератора Ван де Граафа
На удивление, устройство очень простое. Оно состоит из полой сферы, стержня, ременной передачи на шкивах и источника напряжения.
Ремень, который обозначен на схеме цифрой 4, изготовлен из резины или шелка. Он вращается на роликах - нижний ролик под цифрой 6 токопроводящий и с отрицательным зарядом (ещё и заземленнный), а верхний под цифрой 3, диэлектрический.
Ремень трётся о две щетки, которые обозначены цифрами 2 и 5, при этом пятая щетка соединена с положительным полюсом цепи. Лента или ремень нужны для того, чтобы осаждать на себе заряды из воздуха. В воздухе заряды появляются в следствие ионизации. Ведь у нас есть источник питания под цифрой 7. Он даёт нам то, что нужно разделять на "+" и на "-". Собственно, в виду этого генератор правильнее было бы называть не генератором, а разделителем-накопителем.
Самая интересная часть генератора - это гигантская сфера! Она обозначена цифрой 1 и именно она накапливает львиную долю заряда. Заряд снимается с ремня щеткой 2 и посредством силы Кулона передаётся на поверхность сферы.
Теперь если дотронуться до сферы, то или волосы встанут дыбом или можно сделать микро-молнию, подведя заземлённый щуп к поверхности сферы.
Почему волосы встают дыбом
Ну и теперь мы способны ответить на один из главных вопросов. Почему волосы встают дыбом, если прикоснуться к такому генератору? Всё просто! Ведь у нас поверхность сферы заряжена положительно.
Когда человек дотрагивается до этой поверхности, накопленный заряд растекается по поверхности его тела и доходит до головы. Волосы на голове, каждая волосинка, заряжаются положительно. Ну а положительные заряды, как мы помним, отталкиваются друг от друга. Вот и волосы, увлекаемые этой силой отталкивания, расходятся в разные стороны и в итоге встают дыбом. Очень зрелищный и интересный опыт!
Тут всегда появляется справедливый вопрос...Не убьет ли экспериментом человека? Мысли правильные, ведь разряжая на себя сферу, мы можем сделать из тела проводник, соединяющий Землю и заряженный объект. Прохождение тока через может быть опасным. Поэтому, каждый раз нужно анализировать параметры каждого конкретного генератора. Обычно мы имеем дело с высокими напряжениями и незначительными токами. Кроме того, технике безопасности предполагает расположение человека на диэлектрическим коврике в момент касания сферы. Так что шарахаться от каждого генератора Ван де Граафа в лабораториях не нужно.
Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!
Статьи по теме на моем канале:
Ещё кое-что полезное:
- Путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь
