Edutorium: Van de Graaffův generátor

Celkový přehled Veřejnost 2. stupeň ZŠ SŠ

ZVOLTE CÍLOVOU SKUPINU pro přehlednější zobrazení.

Expozice

Edutorium

Garant:

Mgr. Kristýna Nová

Klíčová slova:

Anotace pro veřejnost:

Van de Graaffův generátor je přístroj, se kterým se demonstruje mnoho zajímavých pokusů z elektrostatiky. Zapnutý ho uvidíte jen v rámci stejnojmenné show. Umožňuje například vidět, jak působí elektrické pole, na vlastní kůži poznat elektrický náboj, nebo si připomenout, co udělají dvě stejně nabitá tělesa přiblížená k sobě. Odvážnější si mohou vyzkoušet, jaké to je nabít se na 200 tisíc voltů.

Anotace pro 2. stupeň ZŠ:

RVP pro 2. stupeň ZŠ

člověk a příroda
- fyzika
  - elektromagnetické a světelné děje
    - elektrické a magnetické pole

Anotace pro SŠ:

RVP pro střední školy

člověk a příroda
- fyzika
  - elektromagnetické jevy, světlo
    - elektrický náboj a elektrické pole

Věda a technika v pozadí

K vytvoření elektrostatického pole musíme oddělit kladné a záporné náboje a dosáhnout tak převahy kladných nábojů na jednom tělese a záporných nábojů na druhém tělese. K tomu slouží elektrostatické zdroje, tzv. generátory, kterým předcházely třecí elektriky a elektrofory zkonstruované v 17. století.

Historie

Dalším vývojovým krokem byly inﬂuenční elektriky, na jejichž konstrukci mají zásluhu především Vorley (1860), Holtz (1865) a Töpler (1865). Jednoduchou elektriku si prohlédněte na videu. Tyto stroje se principielně podobají dynamoelektrickým strojům. Jednotlivé elektriky můžeme vzájemně propojit a získat tak ještě větší zdroj elektrického náboje. Tyto elektriky později ustoupily elektrikám Wimhurstovým, jejichž hlavní výhodou byla menší závislost na vlhkosti vzduchu.

Třecí elektrika.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.

V roce 1931 byl indukční generátor zdokonalen Robertem van de Graaffem. Proto všechna podobná zařízení nesou jeho jméno. Van de Graaff objevil, že napětí potřebné na urychlení elektronů lze poměrně snadno dosáhnout obřími inﬂuenčními elektrikami. Van de Graaffův generátor můžeme považovat za nejstarší urychlovač částic. Urychluje částice řádově na MeV. První velký elektrostatický van de Graaffův generátor byl vybudován v USA a pracoval s napětím řádově miliony voltů. Díky urychleným částicím létaly jiskry až do vzdálenosti několika decimetrů.

Robert van de Graaff.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.

U moderních van de Graaffových generátorů byla zdokonalena izolace vysokonapěťové kulové elektrody. Koule jsou umístěny v tlakové komoře hruškovitého tvaru naplněné dusíkem pod tlakem 1,6 až 2,2 MPa. Dosažené napětí je až 12 MV.

Teorie

Kapacitu van de Graaffova generátoru určuje do značné míry velikost kovové koule. Na této kouli se hromadí elektrický náboj, který vzniká v dolní části třením plastového válečku a pryžového pásu. Pás slouží zároveň jako dopravník třením uvolněných nábojů. Kartáčky slouží k lepšímu zachytávání náboje, protože náboj má snahu hromadit se na hrotech.

Van de Graaffův generátor.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Vlivem tření přecházejí uvolněné elektrony z pásu na váleček, tzn. že se část pásu nabíjí kladně a PVC váleček záporně. Jestliže přivedeme kladně nabitý pás do dutiny obklopené vodivou koulí, tak se na vnitřním povrchu koule indukuje záporný náboj a na vnějším povrchu koule zůstane náboj kladný. Vnitřní povrch koule je spojen s hroty, které převádí záporný náboj zpět na pás a jsou jím odvedeny pryč směrem dolů. Dole záporné náboje odsávají další hroty, které je odvádí přes uzemnění pryč.