Rzecz o moim generatorze zaczyna się jakiś czas temu, gdy ja to zwykle bywa siedziałem sobie przed komputerem szukając różnych dziwnych rzeczy w serwisie Allegro. Miałem trochę szczęścia bo trafił mi się, co prawda mocno zabrudzony i pozbawiony pasa transmisyjnego generatorek, który po za tym wydawał się całkowicie kompletny.
Gdy go otrzymałem, jedynie potwierdziły się moje przypuszczenia i rozpoczęły się starania o jego rychłe uruchomienie, co w przypadku mojego braku czasu i środków trwało dość długo.
Rys. 1 Generator przed remontem.
Zaczniemy może najpierw od budowy takiego urządzenia i zasady jego działania, choć chyba jeszcze nie wspomniałem nawet do czego to ciekawe urządzenie służy. Więc może od początku, Generator Van de Graffa jest urządzeniem służącym do otrzymywania wysokiego napięcia rzędu nawet kilku milionów woltów. Stosuje się je często w akceleratorach cząstek elementarnych, przykładem w tym miejscu może być akcelerator LECH zbudowany w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. Mój generator nie wytwarza oczywiście tak wysokich napięć i nie służy do przyśpieszania jonów.
Rys. 2 Napęd pasa transmisyjnego.
Można jednak za jego pomocą uzyskać, w sprzyjających warunkach potencjały przekraczające nawet 150 kV o bardzo małych mocach co jednak pozwoli przeprowadzić szereg bardzo ciekawych eksperymentów z dziedziny elektrostatyki.
Generator, co widać na zdjęciach nie jest zbytnio skomplikowany. Podstawą są dwie rolki po których porusza się pas transmisyjny wykonany z izolatora np. zwykłej gumy. W podstawie umieszczono silnik elektryczny wraz z szeregiem rezystorów, które umożliwiają regulację prędkości obrotowej pasa.
Rys. 3 Widok paska przełożenia napędu na metalową rolkę.
Dolna rolka wykonana jest z metalu i zamontowana za pomocą łożysk na podstawie, co umożliwia jej obracanie się. Napędzana jest ona za pomocą gumowego paska, który moment napędowy przenosi z silnika umieszczonego w podstawie. Do podstawy przykręcone są też dwa długie wsporniki wykonane z pleksiglasu a na nich zamontowane jest łożyskowanie drugiej rolki, wykonanej dla odmiany z izolatora. Ważnym elementem generatora są dwa metalowe grzebienie oraz kopuła wykonana z tkanego drutu umieszczona na szczycie i połączona elektrycznie z górną szczotką.
Rys. 4 Schemat ideowy generatora.
Teram zmuszę wspomnieć o tzw. Szeregu tryboelektrycznym. Jest to zestawienie materiałów pod względem biegunowości i wielkości ładunku wytwarzanego podczas zetknięcia i rozdzielania dwóch materiałów. Teraz już pewnie wiecie, dlaczego dolna rolka wykonana jest z innego materiału niż górna. Gdy na rolkach znajduje się już pas transmisyjny i rolka dolna jest napędzana wspomniany pas elektryzuje się ładunkiem ujemnym, który przenoszony jest do góry a tam jest zbierany przez szczotkę G1 i przenoszony na powierzchnię kopuły, gdzie się gromadzi. Teraz rozładowany pas ma znów kontakt z rolką, ale już wykonaną z innego materiału, który sprawia, że ładuje się ładunkiem dodatnim, który w podobny sposób przenoszony jest do dołu gdzie zbiera go szczotka G2.
Rys. 5 Generator razem z zewnętrznym konduktorem.
Elektrodę G2 można uziemić lub, jeśli dysponujemy innym obiektem zdolnym gromadzić ładunek elektryczny, możemy ją z nim połączyć, wtedy będziemy mieli większą różnicę potencjałów pomiędzy kopułą generatora a tym zewnętrznym konduktorem. Uzyskamy tym samym większe i bardziej intensywne wyładowania elektryczne.
Część 2
W zestawie z generatorem na szczęście był też zewnętrzny konduktor, który możemy podłączyć do tej elektrody. Wiemy już jak działa generator i do czego służy, teraz pora zacząć reanimację mojego egzemplarza. Jak już wspomniałem brakowało w nim pasa transmisyjnego, i paska napędowego. Obie kwestie, choć pozornie trudne do dobrania rozwiązałem bardzo szybko częściowo z pomocą kolegi Tomka Lemańskiego, któremu dziękuję za dobrą radę. Sprawę paska rozwiązałem kupując w sklepie hydraulicznym uszczelkę - oring od rury kanalizacyjnej fi 75. Nie do końca pasowała, była trochę za długa, ale wystarczyło odkręcić silnik i pod spód wcisnąć dystans o grubości 1,5 cm.
Rys. 6 Guma lateksowa do ćwiczeń gimnastycznych.
Kwestia pasa transmisyjnego, który tak naprawdę jest sercem urządzenia wydawała się nieco bardziej skomplikowana bo nowy pas do tego modelu kosztował ponad 70 zł, a nie bardzo miałem ochotę wydawać tyle na kawałek gumy. Tu z pomocą przyszedł Tomek, który podesłał linka do aukcji z lateksowymi pasami do ćwiczeń gimnastycznych. Za 30 zł łącznie z przesyłką dostałem aż trzy takie gumy, które, jak się okazało, nadają się wyśmienicie.
Rys. 7 Przygotowanie do odcięcia zbędnego nadmiaru.
Guma była oczywiście trochę zbyt szeroka więc należało ją przyciąć do szerokości rolek, skrócić i skleić w okrąg.
Rys. 8 Przycinanie gumy żyletką.
Po docięciu odcinka, który idealnie będzie pasował do maszyny należało go skleić, ja użyłem butaprenu, który świetnie nadał się do tego celu, choć sprawił trochę kłopotu bo po posmarowaniu nim gumy prawie natychmiast się ona zrolowała na tym odcinku. Potrzebna była druga osoba żeby skleić taki kawałeczek gumki bo należało posmarować dokładnie oba końce.
Rys. 9 Gotowy generator.
Po zakończeniu prac przyszła pora na sprawdzenie czy to w ogóle działa :) na początek, zanim dotknę czaszy ręką postanowiłem podłączyć elektroskop, który również mam w swych zasobach.
Rys. 10 Elektroskop.
Elektroskop to przyrząd pomiarowy służący do określania ładunku elektrycznego, wykorzystuje on zjawisko odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych. Składa się z nieruchomej części, na której zawieszona jest bardzo cienka aluminiowa blaszka, która może się odchylać oraz obudowy. Gdy do układu przyłożony zostanie ładunek elektryczny, oba elementy naładowane zostaną tymi samymi ładunkami i zaczną się od siebie odpychać.
Rys. 11 Pierwsze uruchomienie generatora i stwierdzenie obecności ładunku elektrycznego.
Listki elektroskopu uległy pełnemu rozchyleniu, co świadczy o obecności wysokiego potencjału napięcia. Na początku po uruchomieniu potencjał ten nie był jednak wielki, zastanawiałem się co może być przyczyną niepoprawnego działania urządzenia aż w końcu postanowiłem użyć suszarki by całe urządzenie spróbować osuszyć. Okazało się, że po tym zabiegu wszystko jest jak najbardziej w porządku, elektroskop w pełni się wychylił a iskierki strzelały aż miło.
Rys. 12 Pierwsze wyładowania z generatora.
Jak już wspomniałem generator ten dużej mocy nie ma więc te iskierki zbyt okazałe nie są, ale na pewno są większe niż te, które mogą powstać gdy założymy łatwo elektryzujące się ubranie :) Po dotknięciu kopuły palcem przeskok iskry naprawdę da się odczuć.
Oczywiście efekty osiągane przez taki szkolny generator można wzmocnić podpatrując rozwiązania w tych wielkich generatorach Van de Graffa do przyśpieszania cząstek. W nich źródłem elektryczności przenoszonej przez pas nie jest elektryzowanie się tegoż przez pocieranie o rolki. Stosuje się źródło wysokiego napięcia przyłączone do ulotów w dolnej części pasa.
Rys. 13 Generator z zewnętrznym źródłem ładunku elektrycznego.
Spróbowałem i ja trochę doładować urządzenie. Zastosowałem generator wysokiego napięcia prądu stałego, przewód zbliżyłem do początku pasa tak, że ulot skierowany był na pas, który podążał ku górze. Całkiem spory ładunek przenoszony był na pas transmisyjny, który następnie gromadził się na kopule. Pierwszą zmianą, jaką zauważyłem był natychmiastowy wyczuwalny, silny zapach ozonu.
Rys. 14 Wyładowanie z generatora z zewnętrznym źródłem.
Jak widać na załączonym powyżej obrazku, potencjał zgromadzony na kopule generatora jest znacznie większy :), z iskry o długości 3 cm zrobiło się 9. Cały generator aż syczy od ulotów. Iskra jest też znacznie silniejsza co świadczy o zwiększeniu nie tylko napięcia ale i ładunku. Dodam tylko, że źródło ustawione było na nie więcej nić 3 - 4 kV.
Wiemy, już jak w razie potrzeby zwiększyć osiągi urządzenia. Na pewno można by je zwiększyć jeszcze, gdybym trochę bardziej popracował nad kopułą, która jest już mocno skorodowana, a każda taka nierówność jest źródłem ulotu. Na razie jednak nie będę się tym przejmował i wykonam kilka ciekawych eksperymentów na podstawowej wersji bez źródła.
Rys. 15 Demonstracja zjawiska odpychania się ładunków.
Na początek prosty detektor pola elektrycznego, eksperyment jest alternatywą dla elektroskopu i działa na tej samej zasadzie - odpychanie się ładunków jednoimiennych. Do kopuły generatora przykleiłem taśmą klejącą kilkanaście papierowych pasków, które, rzecz jasna, zostaną naładowane tym samym ładunkiem.
Rys. 16 Naładowana kopuła generatora.
Obserwujemy efektowne ich odchylanie. Ten eksperyment ma inną ciekawą wariację, na stoliku izolowanym należy ustawić ochotnika z długimi włosami i kazać mu dotknąć generatora. Jego włosy zachowają się podobnie jak doklejone paski papieru, przy czym eksperyment będzie dużo bardziej efektowny.
Rys. 17 Asystent Wiktorek podczas przygotowań.
W kolejnym eksperymencie, z udziałem młodego asystenta pokażę oddziaływania, o których wcześniej wspominałem na przykładzie spadających kropelek wody. W rozdzielaczu na statywie znajduje się woda w której zanurzona jest elektroda połączona do kopuły generatora - ładuje się ujemnym potencjałem.
Rys. 18 Widok stanowiska w pierwszej konfiguracji.
Na statywie poprzez izolator zamontowałem okrągłą elektrodę, połączoną z przeciwnym potencjałem uzyskiwanym na maszynie. Wszystko ustawione jest tak, że spadające kropelki z rozdzielacza przelatują w pobliżu drugiej elektrody, Na początku spadają po linii prostej. Gdy włączyłem maszynę sytuacja trochę się zmieniła.
Rys. 20 Przyciąganie kropelek naładowanych przeciwnym ładunkiem.
Jak widać kropelki w takiej konfiguracji układu przyciągają się gdyż woda naładowana jest ładunkiem ujemnym a elektroda ładunkiem dodatnim. Teraz zmienię połączenie układu, zarówno elektroda jak i woda podłączone zostaną do czaszy generatora.
Rys. 21 Zmiana konfiguracji eksperymentu.
Rys. 22 Odpychanie kropelek od elektrody naładowanej tym samym ładunkiem.
Wykorzystując zjawiska opisane powyżej Benjamin Franklin zbudował pewien rodzaj dzwonka, który miał ostrzegać przed nadciągającą burzą. Były to tak naprawdę dwa dzwonki umieszczone obok siebie z tym, że jeden z nich był uziemiony a drugi połączony z niewielkim masztem zbierającym elektryczność z chmur burzowych. Tym samym jeden z dzwonków ładował się innym ładunkiem niż drugi.
Rys. 23 Dzwonek Franklina.
Teraz, jeśli pomiędzy dzwonkami umieści się lekką kulkę naładuje się ona jednym z ładunków i zostanie przyciągnięta do przeciwnego, gdzie naładuje się nim i zostanie odepchnięta. Cały proces będzie powtarzał się tak długo, aż zniknie różnica potencjałów. Na powyższym zdjęciu zbudowałem coś podobnego. Mój dzwonek nie dzwoni co prawda, ale zasadę działania jak najbardziej przedstawia.
Rys. 24 Zdjęcie pracującego dzwonka przy długim czasie naświetlania.
Wykonując zdjęcie pracującego dzwonka przy długim czasie naświetlania i w ciemności możemy zaobserwować małe wyładowania elektryczne w chwilach przekazania ładunków.
Gdybym zamiast elektrod umieścił dzwonki i zamiast kulki z folii aluminiowej coś troszkę ciężkiego uzyskał bym dość głośne dzwonienie urządzenia. Tak miało to właśnie zadziałać w zamyśle Pana Beniamina. Gdy nad maszt połączony z jednym z dzwonków nadciągną burzowe chmury część ładunku przeniosła by się na niego i wywołała by głośne ostrzeżenie.
Na zakończenie jeszcze eksperymencik z ukazaniem wizualnych efektów, do kopuły zbliżyłem bańkę sygnalizacyjną, jaką stosuje się na przewodach wysokiego napięcia do informowania obsługi o obecności zasilania.
Rys. 25 Wyładowanie w bańce z obniżonym ciśnieniem.
Rys. 26 Wyładowanie w bańce z obniżonym ciśnieniem.
