مولدات Van de Graaff هي مولدات عالية الجهد تستخدم غالبًا للأغراض التعليمية. يمكن للطلاب والمعلمين صنع مثل هذا المولد لتعلم مبادئ وقوانين الكهرباء. يقوم محرك المولدات بتدوير البكرات في القاعدة ، والتي تحرك الشريط. في البداية ، تكون شحنة الشريط صفرية ، لكن الفرشاة المبطنة من الأسفل تزيل الإلكترونات من الشريط ، لذلك تتراكم الشحنة الموجبة على الشريط ، الذي يتم نقله بواسطة الفرشاة الثانية إلى المجال المعدني. كلما تحرك الشريط على طول الفرش ، كلما كان المجال أقوى.
من Masterweb
في دروس الفيزياء ، لإثبات العمل الذي تقوم به الكهرباء الساكنة ، أظهر مولد Van de Graaff. الجهاز غير المألوف ، الذي يترك البرق المصغر في اتجاهات مختلفة ، يسعد الطلاب. لكن قلة من الناس يعرفون أن المولد كان يستخدم أيضًا لإجراء تجارب في مجال الفيزياء النووية.
تاريخ الخلق
عالم الفيزياء الأمريكي روبرت فان دي غراف (1901-1967) ، الذي كان يعمل في جامعة برينستون ، دخل في التاريخ باعتباره منشئ مسرّع الجسيمات الإلكتروستاتيكية.
تم إنتاج أول وصف لمولد Van de Graaff في عام 1929 ، وبعد ذلك بعامين أنشأ معجل عالي الجهد يمكن أن ينتج فولطية كهربائية تبلغ 1 MV. في عام 1935 ، أنتج التصميم المحسن بالفعل 7 ميغا فولت.
أصبح مولد Van de Graaff لاحقًا أساسًا لنوع حديث من المعجل الخطي يسمى بيليلرون. الفرق بينهما كان طريقة نقل الجسيمات المشحونة. إذا كان المولد ينتقل باستخدام شريط عازل ، ثم بيليه - سلسلة معدنية.
مبدأ العملية
يتيح لك تصميم المولد القيام بذلك أفقيًا وعموديًا. الجزء الرئيسي منه هو كرة معدنية كبيرة ، على سطحها هناك تراكم الجسيمات المشحونة. داخل غلاف المواد المعزولة يوجد بكران مترابطان بشريط عازل. في البداية ، كانت مصنوعة من الحرير والمطاط ، واستبدلت بعد ذلك بسلسلة.
الأسطوانة السفلية مؤرضة ومتصلة بمجال صغير ، كما أن لديها محرك للدوران. الأسطوانة العلوية متصلة بمجال كبير من خلال فرشاة معدنية.
عند تدوير الأسطوانة السفلية ، يتأين الهواء ، متبوعًا بنقل الجزيئات المشحونة إلى الأسطوانة العلوية. من خلال فرشاة معدنية ، يتم نقل تيار الأيونات إلى سطح كرة كبيرة ، حيث يتراكم في شكل شحنة كهربائية.
قوة مولد Van de Graaff محدودة بسبب تفريغ الاكليل ، مما يخلق قذيفة مضيئة حول القطب المشحون.
أين هو مولد المستخدمة
في البداية ، تم استخدام الجهاز لتفريق الجزيئات المشحونة ، ولكن مع مرور الوقت ، ظهرت معجلات أكثر تطوراً ، واختفت الحاجة إليها. في الوقت الحاضر ، تهدف التجارب مع مولد Van de Graaff بشكل رئيسي إلى نمذجة العمليات التي تحدث أثناء عمليات تصريف البرق.
في المدارس الحديثة ، هذا الجهاز هو المعدات القياسية للغرف المادية. في أراضي الاتحاد السوفياتي السابق ، لم يتم إنتاج المولد. في المدارس لإجراء التجارب ، تم استخدام آلة Wimshurst electrophore ، والتي سميت فيما بعد "التفريغ".
يتم استخدام قدرة المولد على إنتاج التصريفات في برامج العرض المختلفة وحيل السيرك. يمكنه إنشاء حقل يحتفظ بالأجسام الصغيرة في الهواء ، وتسمح الشحنة القوية للأجهزة الكهربائية بالعمل بعيدًا عن مصدر الكهرباء.
احتياطات السلامة
مثل أي جهاز ينتج الجهد العالي ، يتطلب مولد Van de Graaff الاحتياطات عند العمل معه. لا يهم التفريغ أينما تنشأ: بين الأقطاب الثنائية القطب أو بين القطب المشحون وجسم الإنسان. فرق كبير بما فيه الكفاية في الإمكانات. لذلك ، عند العمل مع المولد ، يجب أن يكون الشخص على حصيرة مطاطية حتى تظل إمكاناته محايدة فيما يتعلق بالشحنة المتراكمة.
إذا كان شخص ما على الأرض ، خاصةً على الأرض الرطبة ، فسيصبح موصلًا ممتازًا لنقل الجسيمات المشحونة إلى الأرض ، وسيصل إفراز عدة آلاف ، أو ربما ملايين فولت ، عبر جسمه. الشيء الوحيد الذي يمكن أن يسمح للشخص بالبقاء على قيد الحياة هو وجود قوة صغيرة حالية.
يجب على الأشخاص الذين يعانون من أجهزة ضبط نبضات القلب عدم الاقتراب من المولد. قد تتعطل الأجهزة الإلكترونية ، مثل الساعات والهواتف المحمولة. لذلك ، قبل البدء في التجارب ، تحتاج إلى تركها جانبا.
قبل أن تبدأ
عناصر المولد ، مثل الأحزمة ، البكرات ، كرة ، تجذب الغبار مثل المغناطيس. قبل البدء في العمل ، تحتاج إلى تنظيف الآليات. للقيام بذلك ، قم بإزالة كرة كبيرة ومسح أجزاء الجهاز بقطعة قماش مبللة. إذا لم تسمح لك الشحنة المتراكمة بالتخلص من الأتربة ، فيمكنك استخدام رذاذ مضاد للشعر.
أهم شيء يجب القيام به قبل البدء في تدوير المولد هو التأكد من أن الإلكترود الصغير مؤرض. وإلا ، فإن التصريف سيضرب جسمًا ذي كتلة أكبر ، أي شخص.
كيفية تجميع مولد في المنزل
الآن وقد أصبح مبدأ تشغيل مولد Van de Graaff معروفًا ، يمكنك تجميع نموذج عمل للتجارب المنزلية بشكل مستقل. بعد اختبارات صغيرة ، تبين أن الأنابيب البلاستيكية لإمداد المياه هي الأنسب للحصول على جزيئات مشحونة. إذا قمت بفركها باستخدام مادة اصطناعية ، فإن الشحنة التي تظهر فيها ستسمح لك بجذب قطع صغيرة من الورق ، مما يؤدي إلى انحراف مجرى الماء الذي يسقط. وبالتالي ، فإن الأنابيب البلاستيكية تصبح مصدرا للجزيئات المشحونة.
وما الذي سينقل الإلكترونات إلى مجال المولد؟ أظهرت التجارب أن ضمادة مارتنز الطبية هي الأنسب. يتكون من البوليستر واللاتكس والقطن.
الآن وقد قررنا أجزاء العمل الرئيسية ، يتم تجميع قائمة كاملة بالمواد اللازمة:
- كرة معدنية كبيرة. إنه مصنوع من سلطتي سلطة كبيرة ، يباعان في أقرب هايبر ماركت.
- الأنابيب البلاستيكية. سوف يستغرق 2 قطعة من أقطار مختلفة. سيصبح الأول هو جسم المولد ، ويجب تحديد الثاني بحيث يتم تثبيته بإحكام على البكرة المتصلة بالمحرك.
- بكرة العلوي. يمكنك استخدام أي عنصر مناسب يمكن تعليق الشريط عليه دون القفز. على سبيل المثال ، محور قديم من عجلة دراجة أو بكرة بلاستيكية كبيرة مع جوانب.
- قطعة من الأسلاك النحاسية العالقة. سيتم تصنيع الفرشاة منه وإزالة الشحنة ونقلها.
- محرك كهربائي منخفض الطاقة. سوف تكون هناك حاجة لتدوير بكرة أقل. ومع ذلك ، إذا كانت هناك رغبة ، فيمكن إجراء محرك الأقراص يدويًا.
- شرائط معدنية لدعم المولد ، وكذلك لتثبيت البكرات على الأنابيب البلاستيكية.
- مغرفة معدنية. سيكون بمثابة قطب كهربائي صغير.
DIY مولد مجموعة فان دي غراف
عند إعداد جميع المواد ، يمكنك البدء في التصنيع:
- من الشرائط المعدنية جعل قاعدة مستطيلة للمولد. يجب أن يتم في شكل مربع. يجب أن الأبعاد ضمان الاستقرار الهيكلي. من الضروري أيضًا توفير التثبيت تحت المحرك الكهربائي.
- اربط البكرة السفلية إلى عمود المحرك. يجب تغطية سطح العمل بقطعة من الأنابيب البلاستيكية ، والتي يتم قطعها على طول عرض ضمادة مارتنز.
- اربط المحرك الكهربائي بالمنصة بحيث تكون البكرة في مركزها.
- قم بتوصيل أنبوب PVC بقطر 150 مم في وضع رأسي أعلى البكرة. يجب أن يكون طولها من 50 إلى 60 سم ، ولتسهيل عملية الإزالة ووضعها على الشريط ، يجب عمل قطع محوري يبلغ 4-5 سم على الأنبوب.
- يجب تثبيت بكرة ثانية أعلى الأنبوب العمودي. ويتم ذلك باستخدام أقواس متزايدة.
- اصنع كرة من سلطانيات السلطة. للقيام بذلك ، قم بقص فتحة في قطر الأنبوب تمامًا على أحدها في الأسفل. لنفس وعاء السلطة حول المحيط ، تحتاج إلى لحام عدة أقواس تحمل النصف الثاني.
- اصنع فرشاة من الأسلاك العالقة. للقيام بذلك ، قم بإزالة العزل على قطعة من 2-3 سم وفصل الحزمة في أسلاك منفصلة. يجب تثبيت الفرشاة من إحدى نهاياتها بحيث تلامس البكرة العلوية ، ويجب أن تكون الجهة الأخرى ملحومة بالكرة.
- لصنع قطب كهربائي من مغرفة ، تحتاج إلى توصيل المقبض بالقاعدة المعدنية للمولد والأرض. يجب أن يكون معزول المقبض. لهذا ، فإن نفس الأنابيب البلاستيكية ذات القطر الصغير مناسبة.
تختلف النماذج الأولية لمولد Van de Graaff في الصورة قبل مائة عام قليلاً عن جهاز "افعل ذلك بنفسك". الآن وبعد أن أصبح الجهاز جاهزًا تمامًا ، يمكنك البدء في التجربة.
