Il Generatore di Van de Graaff È un artefatto che funziona grazie a fenomeni elettrostatici, e la cui funzione è quella di riprodurre enormi potenziali elettrici, nell'ordine dei megaelettronvolt (MeV), per accelerare le particelle subatomiche. Tali potenziali sono concentrati nelle sue parti superiori, dove riposano le caratteristiche sfere metalliche cave..
Fu inventato nel 1929 dal fisico americano Robert J. Van de Graaff, costruendo modelli di diverse dimensioni e capacità elettriche. Uno dei più grandi, creato nel 1933 e visto nell'immagine sottostante, è in grado di raggiungere un potenziale elettrico di 5MeV; cinque volte inferiore a quanto è attualmente realizzabile (25,5 MeV).
Il potenziale del generatore Van de Graaff è così alto che si verificano scariche elettriche nell'aria che circonda le sue sfere metalliche. Queste scariche sono il prodotto dello squilibrio delle cariche elettriche, poiché le sfere acquisiscono cariche elettriche molto negative o molto positive; tutto dipende dai materiali e dai tuoi design.
Questo dispositivo è molto popolare nell'insegnamento della fisica e dell'elettricità. Questo perché i volontari, toccando le sfere o le cupole metalliche dei piccoli generatori, sperimentano un involontario sollevamento dei capelli, che ricorda una folgorazione..
Indice articolo
Nell'immagine sopra abbiamo le parti convenzionali per un generatore Van de Graaff. Ha un telaio verticale sormontato da una sfera cava o da una cupola metallica (1). All'interno abbiamo una fascia o cintura (4 e 5) in materiale polimerico e isolante, come il tubo chirurgico.
Questo nastro si muove costantemente tra due rulli: uno superiore (3) e uno inferiore (6). Allo stesso modo, ogni rullo ha fissato una spazzola metallica (2 e 7) che sfrega la superficie del nastro. Il movimento del nastro è attivato da un motore elettrico collegato alla base del generatore.
Come si può vedere nell'immagine, la sfera del generatore è caricata positivamente (+). Pertanto, ha bisogno di elettroni per fornire lo squilibrio elettrico. È qui che gli elettroni (-) che lasciano il generatore finiscono per caricare negativamente un dispositivo metallico vicino (8); per produrre infine una scarica elettrica (9) in direzione della calotta metallica.
La scossa elettrica può avvenire sia nella direzione della cupola, sia nella direzione del dispositivo; quest'ultima si verifica quando è la cupola ad essere caricata negativamente.
Il generatore Van de Graaff può essere caricato positivamente o negativamente. Il simbolo della carica dipenderà dalla natura triboelettrica dei materiali con cui sono realizzati il nastro e la copertura del rullo inferiore..
Ad esempio, se il rullo inferiore è ricoperto di nylon, ma la cinghia è di gomma, è necessario controllare la serie triboelettrica per sapere quale materiale riceverà e quale donerà gli elettroni una volta entrati in contatto..
Quindi, poiché il nylon è più positivo, cioè perché è più alto nella serie triboelettrica rispetto alla gomma, perderà elettroni mentre la gomma li guadagnerà. Pertanto, la cinghia finirà per spostare o mobilitare cariche negative all'avvio del motore del generatore..
Nel frattempo, se il rullo inferiore è ricoperto di silicone, accadrà il contrario: la cinghia perderà elettroni, poiché il silicone è più negativo della gomma nella serie triboelettrica. E di conseguenza, la cintura sposterà o mobiliterà cariche positive (come nell'immagine già descritta).
La triboelettricità è solo uno dei tanti fenomeni elettrici (effetti corona ed fotoelettrici, cubetto di ghiaccio di Faraday, campi elettrici, ecc.) Che avvengono nel generatore Van de Graaff. Ma il punto principale è che può spostare, mobilitare o "pompare" cariche elettriche verso la cupola metallica..
Una volta che il rullo inferiore si è caricato negativamente dopo che il motore è stato attivato e la cinghia positivamente, gli elettroni del rullo iniziano a respingere quelli sulla faccia esterna della cinghia. Questi elettroni migrano, attraverso l'aria, verso la spazzola inferiore, dove saranno condotti verso la terra o un altro dispositivo..
Il nastro caricato positivamente raggiunge il rullo superiore, che ha natura triboelettrica opposta al rullo inferiore; cioè, invece di essere caricato negativamente, deve perdere elettroni e quindi anche caricarsi positivamente. La carica positiva si sposta quindi verso il rullo superiore e, infine, verso la spazzola superiore a diretto contatto con la calotta metallica.
Gli elettroni dalla spazzola superiore vengono trasportati al rullo per neutralizzare le cariche. Ma questi elettroni provengono dalla superficie della cupola metallica. Pertanto, anche la cupola acquisisce una carica positiva.
La cupola, in base alle sue dimensioni, raggiungerà il massimo potenziale. Dopodiché, le cariche elettriche devono essere bilanciate. Essendo molto positivo, riceverà elettroni da una fonte caricata molto negativamente, il dispositivo che riceve gli elettroni dal pennello inferiore. Pertanto, una scarica elettrica (scintilla) viene prodotta dal dispositivo (negativa) verso la calotta metallica (positiva).
Maggiori saranno i potenziali elettrici raggiunti, proporzionali alle dimensioni del generatore, più intense saranno le scariche elettriche riprodotte. Si noti che se non fossero così grandi, gli elettroni non potrebbero viaggiare attraverso l'aria, un mezzo dielettrico non conduttivo.
Se la sfera metallica è caricata positivamente e qualcuno la tocca, anche i suoi capelli finiranno per essere caricati positivamente. Cariche uguali si respingono a vicenda e quindi i capelli si drizzeranno e si separeranno l'uno dall'altro. Questo fenomeno viene utilizzato a scopo didattico nei corsi in cui viene introdotta l'elettrostatica.
Pertanto, i generatori Van de Graaff di piccole dimensioni vengono utilizzati per catturare l'attenzione degli osservatori riguardo alla posizione dei loro capelli; o nella contemplazione delle scosse elettriche, repliche fedeli di quelle che vediamo nei film di fantascienza.
Quando la cupola concentra molte cariche elettriche, viene generato un potenziale in grado di accelerare le particelle subatomiche. A tale scopo, il generatore Van de Graaff viene utilizzato per riprodurre i raggi X negli studi medici e nella fisica nucleare..
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