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Os geradores Van de Graaff são geradores de alta tensão frequentemente usados ​​para fins educacionais. Alunos e professores podem criar esse gerador para aprender os princípios e leis da eletricidade. O motor do gerador gira os rolos na base, que movem a fita. Inicialmente, a carga da fita é zero, mas uma escova aterrada por baixo remove elétrons da fita; portanto, uma carga positiva se acumula na fita, que é transferida pelo segundo pincel para a esfera de metal. Quanto mais a fita se move ao longo dos pincéis, mais forte a esfera é carregada.

De Masterweb

Nas aulas de física, para demonstrar a ação realizada pela eletricidade estática, demonstre o gerador Van de Graaff. O dispositivo incomum, deixando raios em miniatura em diferentes direções, encanta os alunos. Mas poucas pessoas sabem que o gerador também foi usado para experimentos no campo da física nuclear.

História da criação

O físico americano Robert Van de Graaff (1901-1967), que trabalhou na Universidade de Princeton, entrou na história como criador de um acelerador eletrostático de partículas.

A primeira descrição do gerador Van de Graaff foi feita em 1929 e, dois anos depois, ele criou um acelerador de alta tensão que poderia produzir uma tensão elétrica de 1 MV. Em 1935, um design aprimorado já produzia 7 megavolts.

O gerador Van de Graaff posteriormente se tornou a base para um tipo moderno de acelerador linear chamado pelletron. A diferença entre eles foi o método de transferência de partículas carregadas. Se o gerador eles foram transmitidos usando uma fita dielétrica, então o peletão - uma corrente de metal.

Princípio de operação

O design do gerador permite que você faça isso na horizontal e na vertical. Sua parte principal é uma grande esfera de metal, na superfície da qual existe um acúmulo de partículas carregadas. Dentro da caixa de material isolado, há dois rolos interconectados por uma fita dielétrica. Inicialmente, era feito de seda e borracha e, posteriormente, substituído por uma corrente.

O rolo inferior é aterrado e conectado a uma pequena esfera, também possui um acionamento para rotação. O rolo superior é conectado a uma grande esfera através de uma escova de metal.

À medida que o rolo inferior gira, o ar é ionizado, seguido pela transferência de partículas carregadas para o rolo superior. Através de uma escova de metal, uma corrente de íons é transferida para a superfície de uma grande esfera, onde se acumula na forma de uma carga eletrostática.

A energia do gerador Van de Graaff é limitada pela descarga de coroa, que cria uma camada luminosa ao redor do eletrodo carregado.

Onde o gerador é usado

Inicialmente, o dispositivo era usado para dispersar partículas carregadas, mas com o tempo surgiram aceleradores mais avançados e a necessidade dele desapareceu. Atualmente, experimentos com o gerador Van de Graaff visam principalmente modelar os processos que ocorrem durante descargas de raios.

Nas escolas modernas, este dispositivo é o equipamento padrão de salas físicas. No território da antiga URSS, o gerador não foi produzido. Nas escolas para experimentos, foi usada a máquina de eletróforo Wimshurst, que mais tarde foi chamada de "Descarga".

A capacidade do gerador de produzir descargas é usada em vários programas de espetáculos e truques de circo. Ele pode criar um campo que mantém pequenos objetos no ar e uma carga poderosa permite que os dispositivos elétricos trabalhem longe da fonte de eletricidade.

Precauções de segurança

Como qualquer dispositivo que crie alta tensão, o gerador Van de Graaff requer precauções ao trabalhar com ele. A descarga não importa onde ela surge: entre eletrodos bipolares ou entre um eletrodo carregado e um corpo humano. Uma diferença significativa o suficiente em potenciais. Portanto, ao trabalhar com o gerador, uma pessoa deve estar em um tapete de borracha para que seu potencial permaneça neutro em relação à carga acumulada.

Se uma pessoa estiver no chão, especialmente em uma molhada, ela se tornará um excelente condutor para a transferência de partículas carregadas para a Terra, e uma descarga de vários milhares, ou talvez milhões de volts, passará por seu corpo. A única coisa que pode permitir que uma pessoa permaneça viva é uma pequena força atual.

Pessoas com marca-passo não devem se aproximar do gerador. Dispositivos eletrônicos, como relógios, telefones celulares, podem apresentar mau funcionamento. Portanto, antes de iniciar os experimentos, você precisa deixá-los de lado.

Antes de começar

Elementos geradores, como correias, polias, uma esfera, atraem poeira como um ímã. Antes de começar o trabalho, você precisa limpar os mecanismos. Para fazer isso, remova uma esfera grande e limpe as partes do dispositivo com um pano úmido. Se a carga acumulada não permitir que você se livre de poeira, aplique um spray antiestático nos cabelos.

A coisa mais importante a fazer antes de começar a girar o gerador é garantir que o eletrodo pequeno esteja aterrado. Caso contrário, a descarga atingirá um objeto com uma massa maior, ou seja, uma pessoa.

Como montar um gerador em casa

Agora que o princípio de operação do gerador Van de Graaff é conhecido, é possível montar independentemente um modelo de trabalho para experimentos domésticos. Após pequenos testes, descobriu-se que um tubo de PVC para abastecimento de água é mais adequado para obter partículas carregadas. Se você o esfregar com material sintético, a carga que aparecer nele permitirá que você atraia pequenos pedaços de papel, desvie o fluxo de água que cai. Portanto, o tubo de PVC se tornará uma fonte de partículas carregadas.

E o que irá transferir elétrons para a esfera do gerador? Experimentos demonstraram que o curativo médico da Martens é mais adequado. É composto de poliéster, látex e algodão.

Agora que decidimos sobre as principais peças de trabalho, uma lista completa dos materiais necessários é compilada:

  1. Esfera de metal grande. É feito de duas tigelas de salada grandes, vendidas no hipermercado mais próximo.
  2. Tubo de PVC. São necessários 2 pedaços de diâmetros diferentes. O primeiro se tornará o corpo do gerador e o segundo deve ser selecionado para que se encaixe firmemente na polia conectada ao inversor.
  3. Polia superior. Você pode usar qualquer item adequado para segurar a fita sem pular. Por exemplo, um cubo antigo de uma roda de bicicleta ou um rolo de plástico grande com lados.
  4. Um pedaço de fio de cobre. Serão feitas escovas, removendo e transmitindo a carga.
  5. Motor elétrico de baixa potência. Será necessário girar a polia inferior. No entanto, se houver um desejo, a unidade pode ser feita manualmente.
  6. Tiras de metal para apoiar o gerador, bem como para fixar as polias no tubo de PVC.
  7. Concha de metal. Atuará como um pequeno eletrodo.

Conjunto gerador DIY van de Graaff

Quando todos os materiais estiverem preparados, você poderá começar a fabricar:

  1. De tiras de metal faça uma base retangular para o gerador. Deve ser feito na forma de um quadrado. As dimensões devem garantir a estabilidade estrutural. Também é necessário prever a montagem sob o motor elétrico.
  2. Prenda a polia inferior ao eixo do motor. Sua superfície de trabalho deve ser coberta com um pedaço de tubo de PVC, cortado ao longo da largura do curativo Martens.
  3. Prenda o motor elétrico na plataforma para que a polia esteja no centro.
  4. Conecte um tubo de PVC com um diâmetro de 150 mm na posição vertical acima da polia. O comprimento deve ser de 50 a 60 cm. Para facilitar a remoção e a colocação da fita, um corte axial de 4-5 cm deve ser feito no tubo.
  5. Uma segunda polia deve ser instalada em cima do tubo vertical. Isso é feito usando suportes de montagem.
  6. Faça uma esfera de tigelas de salada. Para fazer isso, faça um furo exatamente no diâmetro do tubo em um deles na parte inferior. Para a mesma saladeira ao redor do perímetro, você precisa soldar vários suportes que sustentam a segunda metade.
  7. Faça uma escova com fio trançado. Para fazer isso, remova o isolamento em um segmento de 2-3 cm e separe o feixe em fios separados. A escova deve ser fixada em uma extremidade para tocar a polia superior e a outra extremidade deve ser soldada à esfera.
  8. Para fazer um eletrodo a partir de uma concha, é necessário conectar a alça à base de metal do gerador e ao terra. A alça deve estar isolada. Para isso, o mesmo tubo de PVC de pequeno diâmetro é adequado.

Os protótipos do gerador Van de Graaff na foto cem anos atrás diferem pouco de um dispositivo faça você mesmo. Agora que o dispositivo está completamente pronto, você pode começar a experimentar.

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