مولد وان دو گراف: دستگاهی برای تولید ولتاژهای بسیار بالا
الکتریسیته ساکن: نقطه شروع
قبل از پرداختن به مولد وان دو گراف، باید با مفهوم الکتریسیته ساکن آشنا شویم. همه ما تجربه‌ای از این پدیده داشته‌ایم: زمانی که موهایمان را با یک شانه پلاستیکی شانه می‌کنیم و آن‌ها از هم فاصله می‌گیرند، یا وقتی که به دستگیره در دست می‌زنیم و یک جرقه کوچک می‌پراد. این‌ها نمونه‌هایی از الکتریسیته ساکن هستند.
الکتریسیته ساکن ناشی از عدم تعادل بارهای الکتریکی روی سطح یک جسم است. این بارها می‌توانند مثبت یا منفی باشند. بارهای همنام (مثبت-مثبت یا منفی-منفی) یکدیگر را دفع و بارهای ناهمنام (مثبت-منفی) یکدیگر را جذب می‌کنند. واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی، کولن۳ است.
مولد وان دو گراف چیست و چگونه کار می‌کند؟
مولد وان دو گراف دستگاهی است که توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت جی. وان دو گراف در سال 1929 اختراع شد. هدف اصلی آن تولید مقادیر بسیار زیادی ولتاژ بالا (حتی در حد میلیون‌ها ولت) برای شتاب دادن به ذرات باردار مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها برای استفاده در آزمایش‌های فیزیک بود.
کار این مولد بر اساس دو اصل ساده است:
۱. تولید بار توسط اصطکاک یا القاء: بارهای الکتریکی اولیه روی یک تسمه لاستیکی یا پلاستیکی ایجاد می‌شوند.
۲. انتقال بار به یک گوی فلزی بزرگ: این تسمه، بارها را به داخل یک گوی فلزی توخالی منتقل می‌کند که روی یک پایه عایق قرار دارد.
| جزء | جنس و ویژگی | عملکرد |
|---|---|---|
| گوی فلزی | آلومینیوم یا فولاد - توخالی | ذخیره‌سازی بارهای الکتریکی و ایجاد میدان الکتریکی قوی |
| تسمه | لاستیک یا یک پلیمر عایق | انتقال بارها از پایین به بالا |
| غلتک پایینی | پلاستیک یا چوب (عایق) | به حرکت درآوردن تسمه |
| غلتک بالایی | فلز (رسانا) | جمع‌آوری بارها از تسمه و انتقال آن به گوی |
| شانه‌های فلزی | رشته‌های نوک تیز فلزی | تزریق بار به تسمه (شانه پایین) و دریافت بار از تسمه (شانه بالا) |
| پایه عایق | پلکسی گلاس یا پلی‌اتیلن | جدا کردن گوی پربار از زمین و جلوگیری از خنثی شدن بارها |
فرآیند کار به صورت گام‌به‌گام:
گام ۱ (تولید بار): موتور، غلتک عایق پایین را می‌چرخاند. این غلتک با اصطکاک با تسمه، الکترون‌ها را از تسمه می‌گیرد و در نتیجه تسمه در پایین دستگاه دارای بار مثبت می‌شود. شانه فلزی پایین که به یک منبع ولتاژ (مانند یک باتری) متصل است، با ایجاد میدان الکتریکی قوی، به تزریق بارهای مثبت بیشتر به تسمه کمک می‌کند.
گام ۲ (انتقال بار): تسمه که اکنون بار مثبت دارد، به سمت غلتک فلزی بالایی حرکت می‌کند.
گام ۳ (جمع‌آوری بار): در نزدیکی غلتک فلزی بالا، شانه فلزی بالایی قرار دارد. بارهای مثبت روی تسمه، الکترون‌ها را در نوک تیز شانه بالا جذب می‌کنند. این کار باعث می‌شود شانه بالا بار منفی و تسمه همچنان بار مثبت داشته باشد. بارهای مثبت تسمه، از طریق غلتک فلزی بالا به سطح خارجی گوی فلزی منتقل می‌شوند. (بارها روی سطح خارجی رساناها جمع می‌شوند).
گام ۴ (تکرار): تسمه که حالا بارش کم شده، به سمت پایین بازمی‌گردد و این چرخه بارها و بارها تکرار می‌شود. در هر چرخه، بارهای مثبت بیشتری روی گوی جمع می‌شوند و ولتاژ آن افزایش می‌یابد.
کاربردهای مولد وان دو گراف در علم و آموزش
اگرچه امروزه از این مولد کمتر برای تحقیقات پیشرفته استفاده می‌شود، اما هنوز هم یک ابزار آموزشی بسیار ارزشمند است.
۱. نمایش‌های علمی هیجان‌انگیز: معروف‌ترین کاربرد آن، ایستادن فردی روی یک سکوه عایق و لمس گوی است. در این حالت، بارها روی موها و بدن فرد جمع می‌شوند. چون همه موها بار همنام (مثبت) دارند، یکدیگر را دفع می‌کنند و به صورت سیخ‌شده درمی‌آیند!
۲. شبیه‌سازی آذرخش۴: وقتی ولتاژ گوی به اندازه کافی بالا برود، هوای اطراف آن یونیزه می‌شود (یعنی مولکول‌های هوا به یون‌های مثبت و الکترون تجزیه می‌شوند که رسانا هستند). در این حالت، یک جرقه بزرگ و پرسر و صدا بین گوی و یک جسم رسانای نزدیک (مانند یک میله فلزی) پرش می‌کند که شبیه رعد و برق در مقیاس کوچک است.
۳. شتاب‌دهی ذرات: در مدل‌های بزرگ و اولیه، از این مولد برای شتاب دادن به ذرات باردار در یک لوله خلأ استفاده می‌شد. این ذرات پرسرعت سپس برای برخورد با اتم‌ها و مطالعه ساختار آن‌ها به کار می‌رفتند. این کار پایه‌ای برای توسعه شتاب‌دهنده‌های ذرات عظیم امروزی بود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. این یک اشتباه رایج است. مولد ولتاژ بسیار بالایی تولید می‌کند (مثلاً 100,000 ولت) اما جریان الکتریکی بسیار ناچیزی (در حد میکروآمپر) دارد. خطر اصلی برق گرفتگی ناشی از جریان است، نه ولتاژ. به همین دلیل، جرقه آن معمولاً برای انسان‌ها کشنده نیست، اما می‌تواند بسیار دردناک باشد و برای افراد با مشکلات قلبی خطرناک است.
این یک ویژگی ذاتی همه رساناها است. بارهای الکتریکی همیشه تمایل دارند تا حد امکان از یکدیگر فاصله بگیرند. از آنجایی که گوی توخالی است، بارها می‌توانند با پخش شدن روی سطح خارجی آن، به حداکثر فاصله ممکن از هم برسند. هیچ باری در داخل یک رسانا توخالی وجود ندارد.
خیر. مولد وان دو گراف یک منبع ولتاژ بالا با جریان بسیار کم است، در حالی که باتری‌ها برای شارژ شدن به جریان کافی (در حد آمپر یا میلی‌آمپر) نیاز دارند. این دستگاه برای ذخیره انرژی در مقیاس عملی مناسب نیست.
پاورقی
۱ Van de Graaff generator
۲ Ionization: فرآیندی که در آن یک اتم یا مولکول، الکترون از دست داده یا به دست می‌آورد و به یک ذره باردار به نام یون تبدیل می‌شود.
۳ Coulomb
۴ Lightning