Одним из интересных высоковольтных устройств является генератор Ван де Граафа, прибор, создающий высокую разность потенциалов за счёт электризации диэлектрической ленты, движущейся по двум роликам. В зависимости от масштаба устройства варьируется и максимальное напряжение, оно может составлять от нескольких десятков киловольт для небольших настольных генераторов и заканчивая миллионами вольт для больших устройств, которые могут использоваться в научных и демонстрационных целях. С помощью генератора Ван де Граафа возможно проводить множество зрелищных экспериментов, например, наблюдать, как мелкие конфетти разлетаются вверх от воздействия электрических сил или волосы человека встают вверх «дыбом», если определённым образом соединить тело человека с разрядником. Для сборки генератора не понадобится каких-либо специфичных деталей – всё можно либо найти дома, либо купить в ближайших строительных магазинах. Общая схема генератора показана ниже.
Изготовление Генератора Ван де Граафа своими руками
Конструктивно генератор представляет собой трубу, внутри которой вращается диэлектрическая лента. Два ролика, вверху и внизу трубы, обеспечивают нужное натяжение ленты, нижний ролик также является приводным и соединяется с валом двигателя, который будет раскручивать ленту. В верхней части трубы закреплена массивная металлическая сфера, которая будет являться накопителем заряда. Форма сферы подходит для этой цели лучшим образом, ведь она не имеет никаких острых выступов, а потому будет наиболее эффективно накапливаться заряд: острые выступы могут приводить к возникновению коронного разряда, через который стекает накопленный заряд. Для изготовления простого домашнего генератора в качестве сферы можно будет использовать большую кастрюлю, установив её в перевёрнутом виде, в качестве ленты идеально подойдёт кровоостанавливающий жгут из аптеки, ролики можно вырезать, например, из дерева, пеноплекса, либо разобрать малярный валик. В качестве трубы-корпуса отлично подойдёт канализационная труба диаметром 10-11 см. Приводить в движение ленту можно с помощью шуруповёрта, если он имеет большие обороты, либо с помощью различных достаточно мощных моторов от игрушек или радиоуправляемых моделей. Сборка начинается с поиска подходящих компонентов.
При использовании канализационной трубы диаметром 11 см оптимальная высота конструкции будет составлять около 1 метра. Вся конструкция будет устанавливаться на подставку из обрезка доски.
В качестве двигателя для вращения ленты я использую приводной узел от радиоуправляемого вертолёта, который представляет собой пару двигателей, которые совместно вращают большую шестерню, при этом образуется редуктор, понижающий обороты до нужного уровня и повышающий крутящий момент. Ведомая шестерня крепится на шпильку М4, которая проходит сквозь всю трубу в нижней части, в дальнейшем на ней будет крепится вал с роликом. Как показала практика, достаточно одного вертолётного мотора – несмотря на большие размеры, такие моторы имеют приличную мощность и легко крутят всю ленту внутри корпуса.
Сверху моторы прижимаются металлической полосой, предварительно установлена соосность всех шестерёнок. Предпочтительнее использовать для питания двигателя в генераторе Ван де Граафа аккумуляторные источники питания, никак не связанные с сетью, даже через трансформаторную гальваническую развязку.
На картинках выше показан нижний ролик. Его удалось выточить из двух кусочков утеплителя пеноплекса, придав бочкообразную форму. Обратите внимание, что форма должна быть именно бочкообразной, с небольшим плавным утолщением посередине – если вал будет полностью ровным, лента будет то и дело соскакивать. Немалую роль в постройке генератора играет материал валиков – нижний должен быть металлическим, а верхний – пластиковым. При этом делать нижний вал цельнометаллическим не обязательно, достаточно покрыть его сверху проводящей фольгой, эта фольга также должна электрически соединяться с валом, на котором сидит ролик.
Верхний ролик я взял готовый от малярного валика, он идеально подходит по форме и размерам. Ролик аналогично нижнему устанавливается на шпильку м4, которая в пазы устанавливается на верхнюю часть трубы, что можно увидеть на фото ниже.
Кровоостанавливающий жгут продаётся практически в каждой аптеке, он обладает нужными свойствами для переноса заряда, а также достаточно эластичный. Купленный жгут следует отмыть от талька, высушить, и после этого отрезать до нужной длины с небольшим запасом. Для того, чтобы ленту жгута превратить в замкнутый круг концы можно просто склеить суперклеем с нахлёстом 2-3 см, прочности такого соединения оказалось более чем достаточно.
Следующая часть генератора – щётки, через которые заряд будет «наносится» на ленту и «стекать» с неё в верхнюю металлическую сферу. Щётки рекомендую сделать из отрезка многожильного кабеля, который оголяется от изоляции, распушается и припаивается на текстолитовые пластинки. Изготовить следует две такие щётки, на нижний ролик и на верхний. Нижняя щётка будет соединяться с нижним роликом и подключаться к заземлению, а верхняя будет подключена к металлической сфере. На фото ниже представлены готовые щётки.
Устанавливаются щётки непосредственно возле роликов вверху и внизу, расстояние от ленты до кончиков щёток должно быть минимально возможным, но при этом лента не должна их задевать. Ниже можно увидеть установленные щётки вверху и внизу соответственно.
Теперь осталось сделать опоры, на которые встанет верхняя сфера – в моём случае ей нашёлся более доступный аналог в виде перевёрнутой кастрюли. Торчащий выше уровня опор отрезок проволоки соединён со щёткой, он будет обеспечивать её контакт со сферой.
В нижней части конструкции с помощью такого же кусочка проволоки обеспечивается контакт вала, ролика и щёлки с заземлением. Обратите внимание, что для работы генератора обязательно наличие хорошего заземления.
В последнюю очередь устанавливается сфера, теперь генератор готов к запуску. При включении будет возникать разность потенциалов между заземлением (нижний ролик) и верхней сферой. Нарастать она будет до тех пор, пока не возникнет электрический пробой по воздуху или трубе, либо пока скорость нарастания заряда не превысит скорость его «стекания» со сферы из-за коронных разрядов. Эффективность работы генератора сильно зависит от влажности воздуха – чем более влажный воздух, тем больше потерь на коронный разряд, соответственно меньшего напряжения получится достичь. Увеличить скорость нарастания заряда можно путём увеличения скорости вращения ленты, при этом увеличиваться также будет и максимальное напряжение генератора. Для того, чтобы разрядить сферу, следует приблизить к ней заземлённый металлический предмет. Если этот предмет будет иметь острые грани – заряд стечёт плавно в виде коронного разряда, который можно увидеть только в полной темноте. Если же предмет будет с плавными линиями, то при приближении его на определённое расстояние к сфере произойдёт электрический пробой воздуха с довольно громким звуком и вспышкой. При экспериментах с генератором следует быть осторожным, несмотря на то, что он имеет крайне низкую мощность, импульсы напряжения в сотни киловольт могут причинить вред здоровью.