Κυριακή, 26 Ιανουαρίου 2014

Ηλεκτροστατικές Μηχανές



Ηλεκτροστατικές Μηχανές 

https://www.facebook.com/download/478357368935227/ilektrostatikes_genitries.doc 

Γενικά

Η κατασκευή της πρώτης ηλεκτροστατικής μηχανής έγινε το 1672 από Otto Van Guericke και δεν ήταν τίποτε άλλο, παρά μια μεγάλη περιστρεφόμενη σφαίρα από θειάφι, το οποίο έχει τις ίδιες ηλεκτρικές ιδιότητες με το κεχριμπάρι. Τρίβοντας τη σφαίρα με το χέρι αποκτούσε ηλεκτρικό φορτίο
Ηλεκτροστατικές μηχανές είναι οι αυτοδιεγειρόμενες συσκευές  παραγωγής   ηλεκτρικών φορτίων σε δύο ακροδέκτες (Θετικό και αρνητικό πόλο). Το δυναμικό του θετικού πόλου είναι μεγαλύτερο από το δυναμικό του αρνητικού και έτσι μεταξύ τους υπάρχει διαφορά δυναμικού. Η διαφορά δυναμικού αυξάνει όσο λειτουργεί η μηχανή, όχι όμως απεριόριστα.Το μέγιστο δυναμικό περιορίζεται, λόγω διαρροής φορτίων από τα μονωτικά υποστηρίγματα και δημιουργία  σπινθήρων μεταξύ των ακροδεκτών της μηχανής

Διαίρεση ηλεκτροστατικών μηχανών.
Οι ηλεκτροστατικές μηχανές διαιρούνται συνήθως σε δύο κατηγορίες σύμφωνα με τα φαινόμενα τριβής και επαγωγής στα οποία στηρίζεται η δημιουργία ηλεκτρικών φορτίων:
σε μηχανές  τριβής και
σε μηχανές επαγωγής χωρία αυτό να είναι απόλυτο
Κάθε ηλεκτροστατική μηχανή χαρακτηρίζεται :
          α) από την μέγιστη διαφορά δυναμικού που μπορεί να δημιουργηθεί στους πόλους της (150ΚV- 200KV).
          β) από την παροχή της, δηλαδή το ηλεκτρικό φορτίο που παρέχει η μηχανή, στη μονάδα του χρόνου ( ένταση ρεύματος μέχρι 20μΑ) Η παροχή βρίσκεται, αν είναι γνωστό σε πόσο χρόνο ένας πυκνωτής χωρητικότητας C που φορτίζεται από τη μηχανή, αποκτά δυναμικό V. Τότε  Q/t=C.Q/t .Γενικά η παροχή είναι πολύ μικρή
γ) από την ισχύ της. Έστω ότι σε χρόνο t η μηχανή φορτίζει πυκνωτή χωρητικότητας C  υπό τάση V.Τότε ο πυκνωτής στο χρόνο t λαμβάνει από τη μηχανή, ηλεκτρική ενέργεια W=1/2 CV2 και επομένως η ισχύς της μηχανής είναι P=W/t και
Δύο τυπικοί εκπρόσωποι των μηχανών αυτών είναι η Μηχανή Γουίμχερστ (Whimhurst) και η γεννήτρια Van Der Graaf.

Μηχανή του Wimshurst (Γουίμχερστ).
Περιγραφή
·      Αποτελείται από δυο πλαστικούς δίσκους (διαμέτρου περίπου 25-30 cm) που τοποθετούνται  παράλληλα και σε απόσταση λίγων χιλιοστών μεταξύ τους. Οι δίσκοι μπορούν μέσω ενός συστήματος ιμάντων, να περιστρέφονται γύρω από τον ίδιο άξονα, σε αντίθετες φορές μεταξύ τους.
 Στην περιφέρεια κάθε δίσκου υπάρχουν ακτινωτά προσαρμοσμένα λεπτά ελάσματα αλουμινίου ή κασσιτέρου.
·      Κατά την διεύθυνση της οριζόντιας διαμέτρου των δύο δίσκων, υπάρχουν δυο αγωγοί σε σχήμα πετάλου που περιβάλλουν τους δύο δίσκους και στα άκρα τους υπάρχουν ψήκτρες οι οποίες όμως δεν πρέπει να εφάπτονται των δίσκων.(Για να έχουμε το φαινόμενο της επαγωγής ) Οι δύο αυτοί αγωγοί συνδέονται με τους ακροδέκτες που αποτελούν  τους δύο πόλους της μηχανής και στους οποίους συγκεντρώνεται τα θετικά και αρνητικά φορτία αντίστοιχα. Οι δύο ακροδέκτες συνδέονται με δύο πυκνωτές, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους μέσω αγωγού (διακόπτη) που υπάρχει στη ξύλινη βάση,
·      Μπροστά από κάθε δίσκο υπάρχει μεταλλική ράβδος, που στα άκρα της υπάρχουν μεταλλικές ψήκτρες. Οι δύο ράβδοι σχηματίζουν πάντοτε γωνία 150-200 με την οριζόντια διάμετρο των δίσκων, ενώ η γωνία μεταξύ τους πρέπει να είναι 900 . Οι μεταλλικές ψήκτρες εφάπτονται των μεταλλικών ελασμάτων των δίσκων. Ο προσανατολισμός των πρέπει να τηρείται για τη σωστή λειτουργία της μηχανής .

Λειτουργία
Η  μηχανή του Wimshurst αυτοδιεγείρεται, διότι  αρκεί να υπάρχει μια πολύ μικρή ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου, για να αναπτυχθεί στους δύο πόλους της διαφορά δυναμικού, που συνεχώς αυξάνει εφόσον η μηχανή περιστρέφεται.
Το πρόβλημα στις μηχανές, είναι ο χωρισμός των ηλεκτρικών φορτίων, έτσι ώστε στο ένα ακροδέκτη να μαζεύονται τα θετικά φορτία και στον άλλο τα αρνητικά
Για να καταλάβουμε πως δημιουργούνται τα φορτία ας δούμε το σχήμα:
Έστω ότι σε ένα έλασμα (Ε) στην περιφέρεια του εξωτερικού δίσκου υπάρχει μικρό  θετικό. Όταν το (Ε) κινηθεί προς τα δεξιά και έλθει απέναντι από το (Γ)που ανήκει στον εσωτερικό δίσκο, αναπτύσσει σ΄αυτό από επαγωγή αρνητικό φορτίο, ενώ στο (Δ) θετικό. (Τα Γ και Δ ανήκουν στις ψήκτρες ττου εσωτερικής μεταλλικής ράβδου)
Το αρνητικό φορτίο του Γ μεταφέρεται προς τα αριστερά (λόγω περιστροφής του εσωτερικού δίσκου προς τα αριστερά ) και τότε από επαγωγή αναπτύσσεται θετικό φορτίο στο έλασμα Α και συγχρόνως αρνητικό στο Β. Έτσι όλα τα ελάσματα του πάνω μισού τμήματος του εξωτερικού δίσκου και τα κάτω μισά του εσωτερικού, αποκτούν θετικό φορτίο και αντίθετα φορτία τα άλλα μισά. Όταν οι δίσκοι περιστρέφονται, τα θετικά φορτία του πάνω μισού επάγουν αρνητικά φορτία στις ένα ακροδέκτη της μηχανής.  Με τον ίδιο τρόπο μαζεύονται τα αντίθετα φορτία στον άλλο ακροδέκτη. Τελικώς στους δύο ακροδέκτες συγκεντρώνονται ίσα ετερώνυμα φορτία. Οι ακροδέκτες συνδέονται με πυκνωτές

Παρατηρήσεις

·      Όταν η μεταξύ των δύο ακροδεκτών διαφορά είναι μεγαλύτερη των 20KV/cm, τότε ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες σχηματίζονται ηλεκτρικοί σπινθήρες, μήκους μερικών εκατοστών.
·      Όταν οι πυκνωτές δεν είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους (με το έλασμα που υπάρχει στην ξύλινη βάση),  έχουμε συχνότερες αλλά  ασθενέστερες εκκενώσεις
·      Το φορτίο και η διαφορά της μηχανής δεν αυξάνει διαρκώς με την λειτουργία της μηχανής, αλλά λόγω απωλειών η μηχανή παρουσιάζει όριο φόρτισης και η διαφορά δυναμικού μπορεί να φτάσει τη 100000Volt
·      Παρόλο που η διαφορά δυναμικού είναι μεγάλη  η ισχύς των μηχανών είναι μικρή της τάξεων των 1-2 Watt
·      Όταν υπάρχει μεγάλη υγρασία, δεν παράγονται ηλεκτρικά φορτία ή η μηχανή εκφορτίζεται συνεχώς Για να ελqεγξουμε αν έχουμε μεγάλη υγρασία, τρίβουμε ένα φουσκωμένο μπαλόνι στον βραχίονα μας . Αν το μπαλόνι δεν έχει φορτιστεί δεν θα σηκώσει τις τρίχες του βραχίονα μας. Αυτό οφείλεται στην μεγάλη υγρασία
·      Για την αποδοτικότερη λειτουργία της μηχανής, πρέπει οι ψήκτρες να είναι σε καλή κατάσταση και να βρίσκονται σε ελάχιστη επαφή με τα ελάσματα, ενώ οι ράβδοι που φέρουν τις που φέρουν τις ψήκτρες πρέπει  να είναι κάθετοι μεταξύ τους
·      Μετά τη χρήση η μηχανή πρέπει να  καλύπτεται με το προστατευτικό κάλυμμα, για τη προστασία από την σκόνη και την υγρασία
·      Η μεγαλύτερη Μηχανή Γουίμχερστ που έχει κατασκευαστεί, είχε διάμετρο δίσκων 2,12m. Σήμερα τέτοιες μηχανές υπάρχουν μόνο για ιστορικούς λόγους.
·      Για τον καθορισμό των πόλων της μηχανής , ηλεκτρίζουμε αρνητικά ένα πλαστικό φύλλο και το κρεμάμε από μεταξωτό νήμα μεταξύ των ακροδεκτών της μηχανής. Γνωρίζοντας το φορτίο του πλαστικού, μπορούμε να καθορίσουμε το είδος του φορτίου κάθε ακροδέκτη 

Χρήση της ηλεκτροστατικής μηχανής σε πειράματα

Πείραμα 1ο (Δημιουργία ηλεκτρικού σπινθήρα)
Σκοπός του πειράματος:
1)      Να αποδειχθεί ότι μεταξύ αντιθέτων ηλεκτρικών φορτίων δημιουργείται      
      ηλεκτρικός σπινθήρας, όταν η τάση υπερβεί μιας ορισμένης τιμής και ο αέρας            
      παύει να είναι μονωτής, αλλά  λειτουργεί σαν αγώγός (διηλεκτρική αντοχή του 
      αέρα 8,000 V/cm)
2)      Να αποδειχθεί ότι μεταξύ αγωγών που  έχουν ίσα αλλά αντίθετα φορτία, δημιουργηθεί ηλεκτρικός σπινθήρας οι αγωγοί εκφορτίζονται
3)      Να αποδειχθεί ότι μεταξύ φορτισμένου αγωγού και αφόρτιστου δημιουργηθεί ηλεκτρικός σπινθήρας, ο αφόρτιστος αγωγός φορτίζεται
Όργανα
Ηλεκτροστατική μηχανή
Σφαιρικός αγωγός (2) (ΗΛ.030.0)
Πειραματική διαδικασία
Βήμα 1ο
Φέρνουμε τους ακροδέκτες της ηλεκτροστατικής μηχανής σε μικρή μεταξύ τους απόσταση και θέτουμε την ηλεκτροστατική μηχανή σε λειτουργία. Τότε μεταξύ των ακροδεκτών σχηματίζεται ηλεκτρικός σπινθήρας που διαρκεί όσο η μηχανή λειτουργεί. Η μορφή και η συχνότητα των σπινθήρων αλλάζει, ανάλογα με το αν οι πυκνωτές της μηχανής είναι συνδεδεμένοι ή όχι μεταξύ τους
Στη βάση της μηχανής υπάρχει έλασμα με το οποίο συνδέουμε σε σειρά τους πυκνωτές . Κατά την σύνδεση των πυκνωτών  έχουμε μείωση της χωρητικότητας των και αύξηση της διαφοράς δυναμικού στα άκρα τους   ( κατ΄ επέκταση και στους ακροδέκτες). Οι σπινθήρες που δημιουργούνται είναι έντονοι, αλλά έχουν μικρή συχνότητα, ενώ όταν οι πυκνωτές δεν είναι συνδεδεμένοι οι σπινθήρες είναι πιο ασθενείς αλλά έχουν μεγαλύτερη συχνότητα.


Βήμα 2ο
Σταματάμε την λειτουργία της μηχανής και πλησιάζουμε τους ακροδέκτες  ακόμη περισσότερο. Δημιουργείται νέος ηλεκτρικός σπινθήρας και αν ακουμπήσουμε τους ακροδέκτες έχουμε πλήρη εκφόρτιση της μηχανής. Εκφόρτιση της μηχανής μπορούμε να πετύχουμε με τον εκκενωτή με άρθρωση  αγγίζοντας τους ακροδέκτες της μηχανής  



Βήμα 3ο

Σε μονωτικούς στύλους στερεώνουμε δύο διαφορετικού μεγέθους σφαιρικούς αγωγούς  και τους συνδέουμε με τους ακροδέκτες της ηλεκτροστατικής μηχανής. Επίσης συνδέουμε τον καθένα με ένα ηλεκτροσκόπιο. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και στη συνέχεια πλησιάζουμε τους αγωγούς μεταξύ τους. Δημιουργείται ηλεκτρικός σπινθήρας.  Ελέγχουμε τα ηλεκτροσκόπια 
Φέρνουμε τους σφαιρικούς αγωγούς σε επαφή και ελέγχουμε πάλι τα ηλεκτροσκόπια


Βήμα 4ο
Αποσυνδέουμε την μικρή σφαίρα από τη μηχανή, την εκφορτίζουμε και την πλησιάζουμε στην μεγάλη σφαίρα. Δημιουργείται ηλεκτρικός σπινθήρας ; Μπορεί η μικρή σφαίρα να φορτιστεί ; Αν ναι πώς; 

Πείραμα 2ο       1ος Τρόπος (αισθητοποίηση ηλεκτρικού με ηλεκτρικό θύσανο)
Σκοπός: Να έχουμε μια εικόνα του ηλεκτρικού πεδίου με τους ηλεκτρικούς θύσανους, των οι κατευθύνσεις των νημάτων δείχνουν την διεύθυνση των δυναμικών γραμμών
Όργανα
Ηλεκτροστατική Μηχανή
Ηλεκτρικοί θύσανοι (2)
Βήμα 1ο 
Συνδέουμε με καλώδιο  τον ηλεκτρικό θύσανο με τον ένα ακροδέκτη της ηλεκτρικής μηχανής. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και οι λεπτές ταινίες φορτίζονταιμε το ίδιο φορτίο, απωθούνται και ανασηκώνονται δείχνοντας την διεύθυνση των δυναμικών γραμμών όχι όμως και τη φορά
Επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία συνδέοντας τον άλλον ακροδέκτη  
Σχεδιάζουμε σε ελεύθερη εκτίμηση στο τετράδιο την μορφή των ταινιών


Βήμα 2ο
Συνδέουμε τους δύο θυσάνους με τους δύο ακροδέκτες της μηχανής. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και παρατηρούμε την μορφή των ταινιών. Σχεδιάζουμε στο τετράδιο, σε ελεύθερη εκτίμηση, την μορφή των ταινιών





Βήμα 3ο
Συνδέουμε τους δύο θυσάνους με τον ένα ακροδέκτη της μηχανής. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και παρατηρούμε την μορφή των ταινιών. Σχεδιάζουμε στο τετράδιο, σε ελεύθερη εκτίμηση, την μορφή των ταινιών
Επαναλαμβάνουμε την παραπάνω διαδικασία με τον άλλο ακροδέκτη
Βήμα 4ο
(ομογενές ηλεκτρικό πεδίο). Σε δύο μεταλλικά ελάσματα κολλάμε νήματα μήκους 10cm σε ίσες αποστάσεις. Τα ελάσματα αυτά τα στηρίζουμε σε δύο μονωτικούς στύλους και τα συνδέουμε με τους ακροδέκτες της ηλεκτροστατικής μηχανής. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και παρατηρούμε την μορφή των νημάτων. Σχεδιάζουμε στο τετράδιο, σε ελεύθερη εκτίμηση, την μορφή των νημάτων


Πείραμα 3ο       2ος Τρόπος (αισθητοποίηση ηλεκτρικού πεδίου με την συσκευή επίδειξης του ηλεκτρικού πεδίου   ΗΛ.115.0 )
Όργανα
Ηλεκτροστατική μηχανή
Συσκευή επίδειξης ηλεκτρικού πεδίου ΗΛ.115.0 
Πειραματική διαδικασία

Βήμα 1ο
Τοποθετούμε το διαφανές δοχείο της συσκευής  στον ανακλαστικό προβολέα. Ρίχνουμε στο δοχείο με προσοχή καστορέλαιο και μικρή ποσότητα από σουσάμι. Στερεώνουμε στις βάσεις του τα ηλεκτρόδια (με ευθύγραμμο σχήμα), έτσι ώστε να έρχονται σε επαφή με την επιφάνεια του υγρού  και τα συνδέουμε αγώγιμα με τους ακροδέκτες της μηχανής. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή, ανάβουμε τον ανακλαστικό προβολέα  και παρατηρούμε στην οθόνη τους σπόρους του σουσαμιού να διατάσσονται έτσι, ώστε να σχηματίζουν τις δυναμικές γραμμές


Βήμα 2ο
Επαναλαμβάνουμε την προηγούμενη διαδικασία χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια άλλου σχήματος( σημειακά, ευθύγραμμα ή καμπυλόγραμμα..). Τα ηλεκτρόδια αυτά τα συνδέουμε είτε στον ένα ακροδέκτη είτε στον άλλον. Συγκρίνουμε την μορφή των δυναμικών γραμμών με αυτή που έχουμε σχεδιάσει προηγουμένως
Μορφές δυναμικών γραμμών που έχουμε ανάλογα με τα ηλεκτρόδια και τον τρόπο σύνδεσης τους με τους ακροδέκτες

Πείραμα 4ο    Κατανομή ηλεκτρικών φορτίων στους μεταλλικούς αγωγούς
Σκοπός του πειράματος :
1)      Να αποδειχθεί ότι τα ηλεκτρικά φορτία κατανέμονται στην εξωτερική επιφάνεια των αγωγών και η πυκνότητα των είναι μεγαλύτερη, σε σημεία που υπάρχουν προεξοχές και ακίδες 
2)      Να δειχθεί ότι είναι δυνατό να θωρακίσουμε ηλεκτρικά ένα σώμα
Όργανα
1)Ηλεκτροστατική μηχανή. 2)Κοίλος κυλινδρικός αγωγός με δύο ηλεκτροσκόπια
3)Ηλεκτρικός στρόβιλος.4) Ένα κηροπήγιο με κερί. 5)Ηλεκτρικό εκκρεμές.6) Κλωβός του Faraday
Βήμα 1ο
Συνδέουμε τον ένα ακροδέκτη της ηλεκτροστατικής μηχανής με τον κοίλο κύλινδρο. Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και ο κύλινδρος φορτίζεται Παρατηρούμε όμως ότι μόνο το εξωτερικό εκκρεμές εκτρέπεται από την κανονική του θέση. Επομένως μόνο στην εξωτερική επιφάνεια υπάρχουν φορτία  


Βήμα 2ο
Συνδέουμε τον ένα ακροδέκτη της ηλεκτροστατικής γεννήτριας με τον ηλεκτρικό στρόβιλο, και την θέτουμε σε λειτουργία . Ο στρόβιλος αρχίζει και περιστρέφεται
Ερμηνεία:
·      τα φορτία που απελευθερώνονται από τις ακίδες ιονίζουν τον αέρα και προκαλείται η γρήγορή περιστροφή του
·      Στις ακίδες του αγωγού η πυκνότητα ηλεκτρικού φορτίου είναι μεγάλη με αποτέλεσμα το ηλεκτρικό φορτίο να φεύγει από τις ακίδες, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται δυνάμεις στις ακίδες του στροβίλου που μπορούν να προκαλέσουν την περιστροφή του

Βήμα 3ο
Στερεώνουμε μια μεταλλική ακίδα (καρφί) σε μονωτική βάση, και την συνδέουμε με την ηλεκτροστατική μηχανή. Περιστρέφουμε την μηχανή και  πλησιάζουμε την μύτη της ακίδας, σε φλόγα αναμμένου κεριού. Τι παρατηρούμε;
Ερμηνεία : Το ηλεκτρικό φορτίο φεύγει από τις ακίδες, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ρεύμα από αέρα, που μπορεί να προκαλέσει απόκλιση της φλόγας του κεριού


Βήμα 4ο
Πλησιάζουμε στο ηλεκτρικό εκκρεμές τον ένα ακροδέκτη της ηλεκτροστατικής μηχανή. Παρατηρούμε ότι το σφαιρίδιο αποκλίνει από την κατακόρυφη θέση
Σκεπάζουμε το ηλεκτρικό εκκρεμές με τον κλωβό του Faraday. Πλησιάζουμε στον κλωβό τον ένα  αποδέκτη της μηχανής και την θέτουμε σε λειτουργία. Παρατηρούμε ότι το σφαιρίδίο του ηλεκτρικού εκκρεμές παραμένει στη θέση του
Πείραμα 5ο  Ταλάντωση σφαιρικού αγωγού μεταξύ παραλλήλων σφαιρικών αγωγών
Σκοπός:  Να αποδειχθεί ότι μεταξύ παραλλήλων πλακών δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που ασκεί δυνάμεις σε φορτισμένα σώματα
Όργανα
1) Ηλεκτροστατική γεννήτρια, 2)επίπεδες πλάκες από αλουμίνιο 3) μπαλάκι του πιν- πονγκ που καλύπτουμε με αλουμινόχαρτο 4) δοκιμαστικό κατσαβίβι 5) Σωλήνα εκκένωσης αίγλης



Βήμα 1ο
Σε δύο ορθοστάτες στηρίζουμε δύο αλουμινένιους επίπεδους αγωγούς, με τη βοήθεια των δύο ειδικών μονωτικών λαβίδων. Οι αγωγοί πρέπει να είναι παράλληλοι, κατακόρυφοι και σε απόσταση περίπου 10cm ο ένας αγωγός από τον άλλον. Συνδέστε τους αγωγούς με την ηλεκτροστατική μηχανή . Ανάμεσα στους δίσκους κρεμάστε με μονωτικό νήμα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ, το οποίο έχουμε περιτυλίξει με το αλουμινόχαρτο.
Βήμα 2ο
Θέτουμε σε λειτουργία τη μηχανή και παρατηρούμε ότι το μπαλάκι κάνει ταλάντωση μεταξύ των επιπέδων αγωγών. Αν σταματήσουμε τη λειτουργία της μηχανής τότε το μπαλάκι μετά από λίγο παύει να κινείται  


Βήμα 3ο
Διαφοροποιούμε το προηγούμενο κείμενο ως εξής :
Αποσυνδέουμε το ένα καλώδιο από τον ένα ακροδέκτη της μηχανής και το συνδέουμε με το ένα άκρο από ένα λαμπάκι νέον (σαν αυτό που υπάρχει στο δοκιμαστικό κατσαβίδι )Το άλλο άκρο το συνδέουμε με ένα αγωγό με ένα μικροαμπερόμετρο , και αυτί με τον ελεύθερο αποδέκτη της  μηχανής


Βήμα 4ο
Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή και παρατηρούμε ότι το αμπερόμετρο δείχνει μια ένδειξη και το λαμπάκι ανάβει
Στη θέση από το λαμπάκι μπορούμε να τοποθετήσουμε σωλήνα εκκενώσεως αίγλης (Π.Χ νέον) ,θα παρατηρήσουμε ότι αν θέσουμε σε λειτουργία την μηχανή ,το λαμπάκι φωτοβολή














Γεννήτρια Van der Graaf
Η γεννήτρια Βαν Ντερ Γκράαφ (Van Der Graaf) αντίθετα, χρησιμοποιείται, λόγω του τεράστιου φορτίου που συσσωρεύει, για την επιτάχυνση διαφόρων σωματιδίων. Τα σωματίδια αποκτούν πολύ μεγάλες ταχύτητες, τέτοιες ώστε να διανύουν την απόσταση Γης-Σελήνης σε τέσσερα δευτερόλεπτα .
Μικρές όμως μηχανές χρησιμοποιούνται στα σχολικά εργαστήρια και δημιουργούν διαφορά δυναμικού της τάξης των 200KV , με έντασης ρεύματος ως 20μΑ και με ένα σπινθήρα μήκους 74mm. Η μηχανή Van der Graaf είναι ηλεκτροκίνητη , αυτοδιεγειρόμενη, χωριστά φορτιζόμενη και κατάλληλη για πειράματα επίδειξης

Περιγραφή:
Η γεννήτρια Βαν Ντερ Γκράαφ αποτελείται από:
(a) ένα ηλεκτρικό κινητήρα  220-230V / 50 Hz
(b) ένα ιμάντα από εύκαμπτο ελαστικό. Η τάση του ιμάντα ρυθμίζεται μέσω  ειδικού περικοχλίου που βρίσκεται στην κορυφή ή τη βάση της συσκευής
(c) δύο μονωμένους κυλίνδρους που περιβάλλονται από τον ιμάντα, ο οποίος 
και τους περιστρέφει
(d) χτένια που βρίσκονται στον κάτω και άνω κύλινδρο, και χρησιμοποιούνται για  την συλλογή των  φορτίων
(e) σφαίρα από αλουμίνιο στην κορυφή της πλαστικής κολώνας και συνδέεται με   
τα πάνω κτένια συλλογής
(f)  πλαστική κολώνα που στηρίζει το σύστημα των κυλίνδρων και την σφαίρα
Η  γείωση της συσκευής γίνεται μέσω του τριπολικού καλωδίου τροφοδοσίας
Παρατηρήσεις :
• Ο κοντινός εξοπλισμός υπολογιστών πρέπει να κλείσει, πριν από τη χρησιμοποίηση μιας γεννήτριας de Graaff
• Η υψηλή υγρασία δεν βοήθεια στην πραγματοποίηση των ασκήσεων με τη μηχανή  
Van der Graaf









Πειράματα που μπορούν να γίνουν με την σειρά εξαρτημάτων που διαθέτει η συσκευή
Ελάχιστα υλικά που απαιτούνται:
Van de Graaff γεννήτρια
Μεταλλική σφαίρα για την εκφόρτιση
Μονωτικό στύλο για στήριξη μεταλλικής σφαίρας
Πλαστικό σκαμπό 
Ηλεκτρικό θύσανο
Ένα δοχείο με τριμμένο φεϊζόλ
Μακρύ καρφί
Ηλεκτρικό εκκρεμές
Κλωβός του Faraday
Προαιρετικά υλικά:
Απλό Electroscope Δύο φύλλα από αλουμίνιο συνδεδεμένα με συνδετήρα εγγράφων
         
                                     
Πείραμα 1ο
(δημιουργία ηλεκτρικού σπινθήρα )
                      σφαίρα
Μηχανή









 











       Σχήμα 1ο
θέτουμε σε λειτουργία τη γεννήτρια de Graaff και τοποθετήστε κοντά την μεταλλική σφαίρα που είναι γειωμένη. Ένας μεγάλος σπινθήρας θα πηδήσει από τη σφαίρα  γεννήτριας de Graaff στη μεταλλική σφαίρα Πλησιάστε τις δύο σφαίρες (ακροδέκτες της γεννήτριας) τόσο ώστε, όταν λειτουργεί η συσκευή να είναι ορατός ο ηλεκτρικός σπινθήρας και να ακούγεται ο θόρυβος που παράγεται 
Απομακρύνεται τους οπλισμούς της γεννήτριας έτσι ώστε οι μαθητές να καταλάβουν ότι το φως και  θόρυβος που είδαν και άκουσαν οφείλεται στα ηλεκτρικά φορτία.
Όσο πιο κοντά είναι η σφαίρα στη γεννήτρια de Graaff, τόσο οι σπινθήρες γίνονται μικρότεροι αλλά εμφανίζονται σε πιο γρήγορο ρυθμό
Αν η γεννήτρια διαθέτει σύστημα μεταβολής της συχνότητας περιστροφής, τρέξτε την γεννήτρια σε πιο αργό ρυθμό και οι μαθητές να προσέξουν τι συμβαίνει με τους ηλεκτρικούς σπινθήρες Αντί της μεταλλικής σφαίρας μπορεί να χρησιμοποιήσουμε μεταλλική ακίδα την οποία συνδέουμε με το δίκτυο του νερού ( γείωση ) μέσω ενός καλωδίου . Ενώ περιστρέφεται η γεννήτρια πλησιάζουμε την ακίδα στην σφαίρα της γεννήτριας ( Μπορεί να αντιστοιχήσετε το πείραμα με τη λειτουργία του αλεξικέραυνου;

Πείραμα 2ο
Άπωση μεταξύ ομώνυμων φορτίων

                         
                  
                   ηλεκτροσκό-
                            πιο
 
 
 
               Μηχανή
                 ηλεκτροστατική
 



                       Σχήμα 2ο

 Προσαρμόζουμε στην κορυφή της σφαίρας συλλογής τον κύωνα με το αναρτημένο μεταλλοποιημένο σφαιρίδιο. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μεταλλικό σύρμα που του δίνουμε σχήμα Γ και στην άκρη του κρεμάσαμε ένα φύλλο από αλουμίνιο, σχηματίζουμε δηλαδή ένα απλό ηλεκτροσκόπιο. Με την λειτουργία της μηχανής το σφαιρίδιο απωθείται και όσο περισσότερα φορτία μαζεύονται στη σφαίρα, τόσο μεγαλύτερη γίνεται η απόκλιση

Τοποθετούμε τον μεταλλοποιημένο σφαιρίδιο στο εσωτερικό του κλωβού Faraday, και τον προσαρμόζουμε στη σφαίρα της μηχανής . Θέτουμε σε λειτουργία τη μηχανή και παρατηρούμε ότι το ηλεκτρικό σφαιρίδιο δεν εκτρέπεται από την κατακόρυφη θέση

Πείραμα 3ο
                     
        Θύσανος
 
Μηχανή












Αισθητοποίηση του ηλεκτρικού πεδίου
Τοποθετούμε στην υποδοχή που υπάρχει στην σφαίρα τον ηλεκτρικό θύσανο. Θέτουμε την μηχανή σε λειτουργία και παρατηρούμε ότι τα νήματα σηκώνονται ακτινικά γύρω από το σημείο στήριξης τους






Σχήμα 3ο

Πείραμα 4ο
                     
                     
 Μηχανή         φεϊζολ













       Σχήμα 4ο
Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται
Τοποθετήστε στη σφαίρα της γεννήτρια Van de Graaff  ένα μεταλλικό πιάτο  με τριμμένο φεϊζολ . Θέτουμε σε λειτουργία την μηχανή.
Αποτέλεσμα: Το τριμμένο φειζολ πετιέται μακριά από τη γεννήτρια de Graaff Καθώς η γεννήτρια Graaff φορτίζεται , ηλεκτρόνια συλλέγονται στο θόλο της και  στο φεϊζολ που φορτίζεται αρνητικά και απωθείται από τη γεννήτρια















Πείραμα 5ο
Βήμα 1ο )  Στεκόμαστε σε ένα μονωμένο σκαμνί και τοποθετούμε το  ένα χέρι στη γεννήτρια de Graaff και την θέτουμε σε λειτουργία 
Αποτέλεσμα :  Οι τρίχες της κεφαλής σας σηκώνονται
 Βήμα 2ο )  Ενώ φορτίζόμαστε  ακόμα, τοποθετούμε το άλλο χέρι μας στη γεννήτρια de Graaff
Αποτέλεσμα :  Δεν υπάρχει καμία επίδραση. Και τα δύο χέρια μας βρίσκονται  στο ίδιο δυναμικό και έτσι καμία ροή ηλεκτρονίων δεν γίνεται μέσω του σώματος  σας.
Αυτός είναι επίσης και ο λόγος που τα πουλιά μπορούν να προσγειωθούν στα ηλεκτρικά καλώδια χωρίς να δέχονται κανένα κλονισμό .
Βήμα 3ο )  Ενώ φορτίζεστε, κρατήστε με το  ένα χέρι  καρφί και το φέρνεται αργά  προς  τη γειωμένη σφαίρα
Αποτέλεσμα:  Καθώς φέρνετε το καρφί προς τη γειωμένη σφαίρα, η τρίχα σας θα αρχίσει να επιστρέφει στην κανονική της θέση. Τα φορτία  τείνουν να απομακρυνθούν μακριά από αντικείμενα , όπως το καρφί. Έχουμε  ροή ηλεκτρονίων προς τη γειωμένη σφαίρα , το ηλεκτρικό φορτίο χάνετε και οι τρίχες σας πέφτουν . Ένας σπινθήρας θα πηδήσει από το καρφί στη σφαίρα μόλις σε απόσταση ενός τετάρτου του εκατοστού. Αν και υπάρχει μια υψηλή διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο χεριών σας ( 200,000Volt), η ένταση του ρεύματος που διατρέχει το σώματός σας είναι χαμηλή και δεν μας βλάπτει.
Βήμα 4ο ) Μόλις εκφορτιστούμε πλήρως, απομακρύνουμε τα χέρια μας από τη γεννήτρια de Graaff αλλά δεν απομακρυνόμαστε από το μονωμένο σκαμνί.
Αποτέλεσμα :  Δεδομένου ότι είμαστε μονωμένοι από το έδαφος, η τρίχα μας παραμένει όρθια. Θα πέσει αργά καθώς τα φορτία διαρρέουν μακριά από σας.
Βήμα 5ο ) Ενώ έχουμε  ακόμα κάποια υπόλοιπα φορτία , απομακρυνόμαστε από το μονωμένο σκαμνί.
αποτελέσματα:  Η τρίχα μας πέφτει μόλις αγγίζει το πόδι μας το έδαφος. Όταν (ενδεχομένως!) έχουμε  βρεγμένα  παπούτσια, δεν έχουμε αρκετή μόνωση για να αποτρέψουν την φυγή των ηλεκτρονίων από το σώμα μας προς το έδαφος


Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου