Come realizzare un generatore Van de Graaff con un tubo in PVC

Uno dei dispositivi ad alta tensione interessanti è il generatore di Van de Graaff, un dispositivo che crea un'elevata differenza di potenziale grazie all'elettrificazione di un nastro dielettrico che si muove lungo due rulli. La tensione massima varia a seconda della scala del dispositivo e può variare da poche decine di kilovolt per piccoli generatori da banco a milioni di volt per dispositivi di grandi dimensioni che possono essere utilizzati per scopi scientifici e dimostrativi. Con l'aiuto di un generatore di Van de Graaff è possibile eseguire molti esperimenti spettacolari, ad esempio osservare come piccoli coriandoli volano verso l'alto sotto l'influenza di forze elettriche o come i capelli di una persona si rizzano "in punta" se il corpo di una persona è collegato in un certo modo ad uno spinterometro. Per assemblare il generatore non avrai bisogno di parti specifiche: tutto può essere trovato in casa o acquistato nei negozi di ferramenta più vicini. Di seguito è mostrato il circuito generale del generatore.

Realizzare un generatore Van de Graaff con le tue mani

Strutturalmente il generatore è un tubo al cui interno ruota un nastro dielettrico. Due rulli, nella parte superiore e inferiore del tubo, forniscono la tensione necessaria del nastro; il rullo inferiore funge anche da azionamento ed è collegato all'albero motore, che farà girare il nastro. Nella parte superiore del tubo è fissata una massiccia sfera metallica che fungerà da accumulatore di carica. La forma di una sfera è più adatta a questo scopo, perché non presenta sporgenze taglienti, e quindi la carica si accumulerà in modo più efficiente: sporgenze taglienti possono portare al verificarsi di una scarica a corona attraverso la quale scorre la carica accumulata. Per realizzare un semplice generatore domestico, puoi utilizzare una grande padella come una sfera, installandola capovolta; un laccio emostatico acquistato in farmacia è l'ideale come nastro; i rulli possono essere tagliati, ad esempio, dal legno, dal polistirolo espanso o da te può smontare un rullo di vernice. Come tubo di alloggiamento è perfetto un tubo fognario con un diametro di 10-11 cm.La cinghia può essere azionata utilizzando un cacciavite se ha velocità elevate, oppure utilizzando vari motori abbastanza potenti di giocattoli o modelli radiocomandati. L'assemblaggio inizia con la ricerca dei componenti adatti.

Quando si utilizza un tubo per fognatura con un diametro di 11 cm, l'altezza ottimale della struttura sarà di circa 1 metro. L'intera struttura sarà installata su uno stand realizzato con tavole di scarto.

Come motore per la rotazione della cinghia, utilizzo un'unità di azionamento di un elicottero radiocomandato, ovvero una coppia di motori che ruotano insieme un ingranaggio di grandi dimensioni, formando così un cambio che abbassa la velocità al livello desiderato e aumenta la coppia. L'ingranaggio condotto è fissato a un perno M4, che attraversa l'intero tubo nella parte inferiore, in futuro verrà collegato un albero con un rullo. Come ha dimostrato la pratica, è sufficiente un motore per elicottero: nonostante le loro grandi dimensioni, tali motori hanno una potenza decente e fanno girare facilmente l'intero nastro all'interno dell'alloggiamento.

I motori sono pressati dall'alto con una striscia metallica e l'allineamento di tutti gli ingranaggi è prestabilito. Per alimentare il motore di un generatore Van de Graaff è preferibile utilizzare fonti di alimentazione a batteria non collegate in alcun modo alla rete, nemmeno tramite isolamento galvanico del trasformatore.

Le immagini sopra mostrano il rullo inferiore. Sono riusciti a ritagliarlo da due pezzi di isolamento penoplex, dandogli una forma a botte. Tieni presente che la forma dovrebbe essere a forma di botte, con un leggero ispessimento liscio al centro: se l'asta è completamente liscia, il nastro salterà via di tanto in tanto. Il materiale dei rulli gioca un ruolo significativo nella costruzione del generatore: la parte inferiore dovrebbe essere in metallo e la parte superiore in plastica. In questo caso non è necessario rendere interamente metallico l'albero inferiore, è sufficiente ricoprirlo superiormente con un foglio conduttivo; tale foglio deve essere collegato elettricamente anche all'albero su cui poggia il rullo.

Ho preso il rullo superiore già pronto da un rullo di vernice; si adatta perfettamente alla forma e alle dimensioni.Il rullo, simile a quello inferiore, è installato su un perno M4, che è installato nelle scanalature sulla parte superiore del tubo, come si può vedere nella foto sotto.

Un laccio emostatico viene venduto in quasi tutte le farmacie, ha le proprietà necessarie per trasferire la carica ed è anche abbastanza elastico. Il laccio emostatico acquistato deve essere lavato dal talco, asciugato e quindi tagliato alla lunghezza richiesta con un piccolo margine. Per trasformare il nastro dell'imbracatura in un cerchio chiuso, le estremità possono essere semplicemente incollate insieme con una supercolla con una sovrapposizione di 2-3 cm, la forza di tale connessione si è rivelata più che sufficiente.

La parte successiva del generatore sono le spazzole, attraverso le quali la carica verrà “applicata” al nastro e “scaricata” da esso nella sfera metallica superiore. Consiglio di realizzare le spazzole da un pezzo di cavo multipolare, esposto all'isolamento, gonfiato e saldato su piastre di textolite. Dovresti realizzare due di questi pennelli, uno per il rullo inferiore e uno per quello superiore. La spazzola inferiore si collegherà al rullo inferiore e sarà collegata a terra, mentre la spazzola superiore sarà collegata alla sfera metallica. La foto sotto mostra i pennelli finiti.

Le spazzole vengono installate direttamente accanto ai rulli in alto e in basso; la distanza dal nastro alle estremità delle spazzole dovrebbe essere la più piccola possibile, ma il nastro non deve toccarle. Di seguito puoi vedere le spazzole installate rispettivamente in alto e in basso.

Ora non resta che realizzare i supporti su cui poggerà la sfera superiore: nel mio caso è stato trovato un analogo più accessibile sotto forma di una padella rovesciata. Alla spazzola è collegato un pezzo di filo che sporge sopra il livello dei supporti e ne garantirà il contatto con la sfera.

Nella parte inferiore della struttura, utilizzando lo stesso pezzo di filo, è assicurato il contatto tra albero, rullo e fessura tramite messa a terra.Si prega di notare che per il funzionamento del generatore è necessaria una buona messa a terra.

La sfera viene installata per ultima e il generatore è ora pronto per essere avviato. All'accensione si verificherà una differenza di potenziale tra il terreno (rullo inferiore) e la sfera superiore. Aumenterà finché non si verifica un guasto elettrico nell'aria o nel tubo, o finché il tasso di crescita della carica non supera il tasso del suo "drenaggio" dalla sfera a causa delle scariche dell'effetto corona. L'efficienza del generatore dipende fortemente dall'umidità dell'aria: più l'aria è umida, maggiori sono le perdite dovute alla scarica effetto corona e, di conseguenza, minore è la tensione che si può ottenere. È possibile aumentare la velocità di accumulo della carica aumentando la velocità di rotazione della cinghia, mentre aumenterà anche la tensione massima del generatore. Per scaricare la sfera è necessario avvicinare ad essa un oggetto metallico messo a terra. Se questo oggetto ha spigoli vivi, la carica fluirà dolcemente sotto forma di scarica a corona, che può essere vista solo nella completa oscurità. Se l'oggetto ha linee morbide, quando si avvicina a una certa distanza dalla sfera, si verificherà una rottura elettrica dell'aria con un suono e un lampo piuttosto forti. Quando si sperimenta con il generatore, è necessario fare attenzione, nonostante abbia una potenza estremamente bassa, impulsi di tensione di centinaia di kilovolt possono causare danni alla salute.