Jedním ze zajímavých vysokonapěťových zařízení je Van de Graaffův generátor, zařízení, které vytváří vysoký potenciálový rozdíl díky elektrifikaci dielektrické pásky pohybující se po dvou válcích. Maximální napětí se liší v závislosti na měřítku zařízení a může se pohybovat od několika desítek kilovoltů pro malé stolní generátory až po miliony voltů pro velká zařízení, která lze použít pro vědecké a demonstrační účely. S pomocí Van de Graaffova generátoru je možné provádět mnoho spektakulárních experimentů, například pozorovat, jak malé konfety létají vzhůru vlivem elektrických sil nebo jak člověku vstávají vlasy „na hlavě“, pokud je tělo člověka napojeno určitým způsobem na jiskřiště. K sestavení generátoru nebudete potřebovat žádné konkrétní díly - vše lze buď najít doma, nebo zakoupit v nejbližším železářství. Obecný obvod generátoru je uveden níže.
Vyrobte si Van de Graaffův generátor vlastníma rukama
Strukturálně je generátor trubka s dielektrickou páskou, která se uvnitř otáčí. Dva válečky v horní a spodní části trubky zajišťují potřebné napnutí pásky, spodní válec je zároveň pohon a je spojen s hřídelí motoru, který pásku roztáčí. V horní části trubky je upevněna masivní kovová koule, která bude sloužit jako akumulátor náboje. K tomuto účelu se nejlépe hodí tvar koule, protože nemá žádné ostré výstupky, a proto se náboj bude hromadit nejúčinněji: ostré výstupky mohou vést ke vzniku korónového výboje, kterým nahromaděný náboj protéká. K výrobě jednoduchého domácího generátoru můžete použít velkou pánev jako kouli, kterou instalujete dnem vzhůru, jako páska je ideální hemostatický turniket z lékárny, válečky lze řezat například ze dřeva, polystyrenu nebo umí rozebrat malířský váleček. Kanalizační trubka o průměru 10-11 cm se perfektně hodí jako pouzdrová trubka. Pás lze pohánět šroubovákem, pokud má vysoké otáčky, nebo pomocí různých poměrně silných motorů z hraček nebo rádiem řízených modelů. Montáž začíná nalezením vhodných komponentů.
Při použití kanalizační trubky o průměru 11 cm bude optimální výška konstrukce asi 1 metr. Celá konstrukce bude instalována na stojanu z odpadových desek.
Jako motor pro otáčení pásu používám pohonnou jednotku z rádiem řízeného vrtulníku, což je dvojice motorů, které společně roztáčí velké ozubené kolo, čímž tvoří převodovku, která snižuje otáčky na požadovanou úroveň a zvyšuje točivý moment. Hnané kolo je uchyceno na čepu M4, který ve spodní části prochází celým potrubím, v budoucnu na něj bude připevněna hřídel s válečkem. Jak ukázala praxe, stačí jeden vrtulníkový motor - navzdory své velké velikosti mají takové motory slušný výkon a snadno roztočí celou pásku uvnitř krytu.
Motory jsou shora lisovány kovovým páskem a souosost všech převodů je předem stanovena. Pro napájení motoru ve Van de Graaffově generátoru je vhodnější používat bateriové zdroje energie, které nejsou žádným způsobem připojeny k síti, a to ani přes galvanické oddělení transformátoru.
Na obrázcích výše je spodní válec. Podařilo se jim ho vyřezat ze dvou kusů izolace penoplex, což mu dalo sudovitý tvar. Vezměte prosím na vědomí, že tvar by měl být soudkovitý, s mírným hladkým zesílením uprostřed - pokud je shaft zcela hladký, páska každou chvíli odskočí. Materiál válečků hraje významnou roli při konstrukci generátoru - spodní část by měla být kovová a horní část by měla být plastová. Spodní hřídel v tomto případě není nutné vyrábět celokovovou, stačí ji svrchu překrýt vodivou fólií, tato fólie musí být také elektricky spojena s hřídelí, na které váleček sedí.
Vrchní váleček jsem vzal hotový z malířského válečku, perfektně sedí tvarem i velikostí.Válec, podobně jako ten spodní, je instalován na čepu M4, který je instalován v drážkách na horní části trubky, což je vidět na fotografii níže.
Hemostatický turniket se prodává téměř v každé lékárně, má potřebné vlastnosti pro přenos náboje a je také docela elastický. Zakoupený turniket je třeba omýt z mastku, vysušit a poté s malým okrajem nakrájet na požadovanou délku. Aby se páska postroje proměnila v uzavřený kruh, lze konce jednoduše slepit k sobě superlepidlem s přesahem 2-3 cm, síla takového spojení se ukázala být více než dostatečná.
Další částí generátoru jsou kartáče, kterými bude náboj „nanášen“ na pásku a „odtékat“ z ní do horní kovové koule. Kartáče doporučuji vyrobit z kusu vícežilového kabelu, který se odizoluje od izolace, načechrá a připáje na textolitové desky. Měli byste vyrobit dva takové štětce, jeden pro spodní váleček a jeden pro horní. Spodní kartáč se připojí ke spodnímu válečku a připojí se k zemi a horní kartáč se připojí ke kovové kouli. Na fotografii níže jsou hotové štětce.
Kartáče se instalují přímo vedle válců nahoře a dole, vzdálenost od pásky ke koncům kartáčů by měla být co nejmenší, ale páska by se jich neměla dotýkat. Níže vidíte nainstalované kartáče nahoře a dole.
Teď už zbývá jen vyrobit podpěry, na kterých bude stát horní koule - v mém případě se pro ni našel dostupnější obdoba v podobě obrácené pánve. Na kartáč se připojí kousek drátu vyčnívající nad úroveň podpěr, který zajistí jeho kontakt s koulí.
Ve spodní části konstrukce je pomocí stejného kusu drátu zajištěn kontakt mezi hřídelí, válečkem a drážkou s uzemněním.Vezměte prosím na vědomí, že pro provoz generátoru je nutné dobré uzemnění.
Koule je nainstalována jako poslední a generátor je nyní připraven ke spuštění. Po zapnutí dojde k potenciálnímu rozdílu mezi zemí (spodní válec) a horní koulí. Bude se zvyšovat, dokud nedojde k elektrickému průrazu ve vzduchu nebo potrubí, nebo dokud rychlost růstu náboje nepřekročí rychlost jeho „odtékání“ z koule v důsledku korónových výbojů. Účinnost generátoru silně závisí na vlhkosti vzduchu - čím je vzduch vlhčí, tím větší jsou ztráty koronovým výbojem a podle toho lze dosáhnout nižšího napětí. Rychlost nabíjení můžete zvýšit zvýšením rychlosti otáčení pásu, přičemž se zvýší i maximální napětí generátoru. Abyste kouli vybili, měli byste k ní přiblížit uzemněný kovový předmět. Pokud má tento předmět ostré hrany, náboj bude plynule proudit v podobě korónového výboje, který je vidět pouze v úplné tmě. Pokud má objekt hladké linie, pak když se přiblíží na určitou vzdálenost ke kouli, dojde k elektrickému rozpadu vzduchu s poměrně hlasitým zvukem a zábleskem. Při experimentování s generátorem byste měli být opatrní, přestože má extrémně nízký výkon, napěťové impulsy o stovkách kilovoltů mohou způsobit poškození zdraví.
