واندوگراف: مولد شگفتانگیز الکتریسیتهٔ ساکن
الکتریسیته ساکن چیست و از کجا میآید؟
برای درک واندوگراف، اول باید با مفهوم الکتریسیته ساکن2 آشنا شویم. همهٔ ما این پدیده را تجربه کردهایم: هنگامی که با کفش روی فرش راه میروید و سپس دستگیرهٔ در را لمس میکنید، یک جرقهٔ کوچک و صدای ترق میشنوید. یا وقتی که یک بادکنک را به موهایتان میمالید، میبینید که موها به سمت بادکنک جذب میشوند. اینها مثالهای سادهای از الکتریسیته ساکن هستند.
الکتریسیته ساکن به حالتی گفته میشود که بارهای الکتریکی (مثبت یا منفی) روی یک جسم جمع میشوند و جریان پیدا نمیکنند (یعنی ساکن میمانند). این اتفاق معمولاً هنگام اصطکاک دو جسم با هم رخ میدهد. در مثال بادکنک و مو، مالش باعث میشود الکترونها3 (ذرات با بار منفی) از موها به بادکنک منتقل شوند. در نتیجه بادکنک بار منفی و موها بار مثبت پیدا میکنند و چون بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب میکنند، موها به سمت بادکنک کشیده میشوند.
واندوگراف چگونه کار میکند؟ یک سفر گامبهگام
مولد واندوگراف که توسط فیزیکدانی به نام رابرت وان دو گراف4 اختراع شد، کارش تقویت و ذخیرهٔ همین بارهای ساکن است تا ولتاژهای بسیار بالایی در حد میلیونها ولت تولید کند. تصور کنید میخواهید یک توپ فلزی بسیار بزرگ را با استفاده از همان اصل مالش بادکنک، بسیار بسیار باردار کنید. اما مالش دستکار شما جواب نمیدهد. واندوگراف این کار را به شکل مکانیکی و هوشمندانه انجام میدهد.
اجزای اصلی یک واندوگراف آموزشی معمولی در جدول زیر آمده است:
| نام قطعه | جنس و وظیفه | تشبیه به یک مثال روزمره |
|---|---|---|
| تسمهٔ متحرک (نوار لاستیکی) | نوار پلاستیکی یا لاستیکی که بین دو قرقره حرکت میکند. وظیفهٔ انتقال بار را بر عهده دارد. | مانند یک تسمه نقاله در فرودگاه که چمدانها را جابهجا میکند، اما اینبار بار الکتریکی را حمل میکند. |
| قرقره و موتور | موتور، قرقرهٔ پایینی را میچرخاند و باعث حرکت تسمه میشود. | مانند پدال دوچرخه که نیرو را ایجاد میکند. |
| الکترودهای شانهای | قطعات فلزی دندانهدار (بالایی و پایینی). وظیفهٔ تزریق و جمعآوری بار از روی تسمه را دارند. | مانند یک ایستگاه بارگیری و تخلیه برای تسمهٔ نقاله. |
| کرهٔ فلزی بالایی (الکترود خروجی) | یک کرهٔ بزرگ توخالی از جنس آلومینیوم که روی یک پایهٔ عایق نصب شده است. بارها روی سطح آن ذخیره میشوند. | مانند یک مخزن یا منبع ذخیرهٔ آب که پر از بار میشود. |
| پایهٔ عایق | از جنس پلاستیک یا شیشه. مانع از هدر رفتن بارهای جمعشده در کره به زمین میشود. | مانند دستههای عایق یک قابلمه داغ که مانع انتقال حرارت به دست شما میشود. |
حالا مراحل کار را دنبال کنید:
گام اول: تولید بار – در پایین دستگاه، تسمهٔ لاستیکی از کنار شانهٔ فلزی پایینی عبور میکند. به دلیل خاصیت مواد مختلف (اثر اصطکاک)، تسمه بار منفی و شانه بار مثبت پیدا میکند. (مانند مالش بادکنک به مو).
گام دوم: انتقال بار – موتور، تسمهٔ باردار منفی را به سمت کرهٔ فلزی بالایی میبرد.
گام سوم: جمعآوری و ذخیرهٔ بار – در نزدیکی کره، شانهٔ فلزی بالایی قرار دارد. بارهای منفی روی تسمه، به روش القا5، بارهای مثبت را در نوک دندانههای این شانه متمرکز میکنند. این تمرکز بار آنقدر زیاد میشود که هوا یونیزه شده و بارهای منفی از تسمه پرش کرده و به شانه (و در نهایت به کرهٔ فلزی) منتقل میشوند. این فرآیند مدام تکرار میشود و بارهای منفی روی کره انباشته میشوند.
نتیجه: کرهٔ فلزی به تدریج با بارهای همنام (در این مثال منفی) پر میشود. چون همهٔ این بارها همنام هستند، یکدیگر را دفع میکنند و ترجیح میدهند تا جای ممکن از هم دور باشند. بنابراین تمامی بارها به سطح خارجی کره میروند. هرچه بار بیشتر جمع شود، ولتاژ (یعنی فشار الکتریکی) کره نسبت به زمین بیشتر میشود. این ولتاژ میتواند به میلیونها ولت برسد! رابطهٔ سادهای بین ولتاژ ($V$)، بار ($Q$) و ظرفیت خازنی6 ($C$) کره وجود دارد: $ V = \frac{Q}{C} $. برای یک کره، ظرفیت خازنی کوچک است، بنابراین با مقدار متوسطی بار، ولتاژ بسیار بزرگی ایجاد میشود.
واندوگراف در عمل: از آزمایشگاه تا نمایشهای دیدنی
شاید فکر کنید چنین دستگاهی فقط برای دانشمندان در آزمایشگاههای پیشرفته مفید است. اما نمونههای کوچکتر آن در بسیاری از موزههای علمی و نمایشهای فیزیک وجود دارند. یکی از جذابترین نمایشها، ایجاد جرقههای بلند است. وقتی کرهٔ واندوگراف به اندازهٔ کافی باردار شود و یک جسم رسانای زمین شده (مانند یک میلهٔ فلزی) را به آن نزدیک کنیم، بارها از طریق هوا پرش میکنند و یک جرقهٔ درخشان و صدای بلند ایجاد میشود. این جرقه در واقع یک رعد و برق کوچک است!
یک آزمایش معروف دیگر، "ایستادن موها" است. اگر فردی روی یک سکو عایق بایستد و دستش را روی کرهٔ باردار بگذارد، بارها به بدن او منتقل میشوند. چون همهٔ تارهای موی سر بار همنام (مثلاً منفی) پیدا میکنند، یکدیگر را دفع میکنند و در نتیجه موها از هم دور شده و به صورت ایستاده درمیآیند! این یک نمایش عینی و ملموس از نیروی دافعه بین بارهای همنام است.
در مقیاس بزرگتر، از واندوگرافهای غولآسا در شتابدهندههای ذرات اولیه (مانند شتابدهندههای خطی) برای ایجاد ولتاژ بالا و شتاب دادن به ذراتی مانند الکترون استفاده شده است. همچنین برای آزمایش عایقهای فشارقوی و شبیهسازی اثر رعد و برق بر هواپیماها و تجهیزات نیز کاربرد دارند.
پرسشهای متداول و تصورات نادرست
پاسخ: بله، ولی نه به آن صورتی که فکر میکنید. خطر اصلی برق گرفتگی نه فقط به ولتاژ، بلکه به جریان (آمپر) بستگی دارد. واندوگراف ولتاژ بسیار بالایی تولید میکند، اما مقدار بار ذخیره شده و در نتیجه جریان قابل انتقال آن بسیار ناچیز است (در حد میکروکولن7). بنابراین جرقهٔ آن ممکن است دردناک باشد، اما معمولاً مرگآور نیست. در مقابل، برق خانه ولتاژ پایینتری دارد، اما میتواند جریان زیادی (10 تا 20 آمپر) تأمین کند که برای قلب بسیار خطرناک است. پس هرگز با دستگاههای ولتاژ بالا، حتی کوچک، شوخی نکنید.
پاسخ: بله، میتواند توپر باشد، اما توخالی بودن آن مزایایی دارد. اولاً سبکتر و ارزانتر است. دوم و مهمتر، بارهای الکتریکی ساکن همیشه روی سطح یک جسم رسانا جمع میشوند و داخل آن خنثی است (این یک خاصیت فیزیکی مهم است). بنابراین ساخت کرهٔ توخالی هیچ تفاوتی در عملکرد ایجاد نمیکند و از مواد کمتری استفاده میشود.
پاسخ: خیر، به عنوان یک منبع انرژی عملی برای روشنایی یا راهاندازی دستگاهها مناسب نیست. چون انرژی ذخیره شده در آن (با فرمول $ E = \frac{1}{2} C V^2 $) با وجود ولتاژ بالا، به دلیل ظرفیت خازنی بسیار کوچک کره، در مجموع بسیار کم است. کار اصلی آن ایجاد یک ولتاژ و میدان الکتریکی قوی برای مقاصد آزمایشگاهی و نمایشی است، نه تأمین انرژی پیوسته.
پاورقی
1 مولد واندوگراف (Van de Graaff Generator): دستگاهای مکانیکی برای تولید ولتاژ الکتریکی مستقیم (DC) بسیار بالا.
2 الکتریسیته ساکن (Static Electricity): تجمع بار الکتریکی روی یک جسم، معمولاً ناشی از انتقال الکترون از طریق اصطکاک.
3 الکترون (Electron): ذرهای زیراتمی با بار الکتریکی منفی که در اطراف هستهٔ اتم میچرخد.
4 رابرت جمیسون وان دو گراف (Robert Jemison Van de Graaff): فیزیکدان آمریکایی (۱۹۰۱-۱۹۶۷) و مخترع این مولد.
5 القای الکترواستاتیک (Electrostatic Induction): پدیدهای که در آن یک جسم باردار، بدون تماس، باعث جدایی بارها در یک جسم رسانای نزدیک میشود.
6 ظرفیت خازنی (Capacitance): معیاری برای سنجش توانایی یک جسم در ذخیرهسازی بار الکتریکی در یک ولتاژ مشخص. واحد آن فاراد (F) است.
7 میکروکولن (Microcoulomb): یک میلیونیم کولن. کولن (C) واحد استاندارد اندازهگیری بار الکتریکی است.
