A Máy phát Van de Graaff là một máy phát tĩnh điện sử dụng đai chuyển động để tích lũy điện tích trên một quả cầu kim loại rỗng trên đỉnh của một vật liệu cách điện cột, tạo ra tiềm năng điện rất cao. Nó tạo ra dòng điện trực tiếp điện áp rất cao (DC) ở mức dòng điện thấp. Nó được phát minh bởi nhà vật lý người Mỹ Robert J. Van de Graaff vào năm 1929. [1] Sự khác biệt tiềm năng đạt được của máy phát điện Van de Graaff hiện đại có thể lên tới 5 megavolts. Một phiên bản để bàn có thể sản xuất theo thứ tự 100.000 volt và có thể lưu trữ đủ năng lượng để tạo ra tia lửa nhìn thấy được. Máy Van de Graaff nhỏ được sản xuất để giải trí và giáo dục vật lý để dạy tĩnh điện; những cái lớn hơn được hiển thị trong một số bảo tàng khoa học.
Máy phát điện Van de Graaff được phát triển như một máy gia tốc hạt cho nghiên cứu vật lý; tiềm năng cao của nó được sử dụng để tăng tốc các hạt hạ nguyên tử đến tốc độ lớn trong một ống di tản. Nó là loại máy gia tốc mạnh nhất trong những năm 1930 cho đến khi cyclotron được phát triển. Máy phát điện Van de Graaff vẫn được sử dụng làm máy gia tốc để tạo ra các hạt tia X và tia X năng lượng cho nghiên cứu hạt nhân và y học hạt nhân.
Máy gia tốc Van de Graaff dạng hạt thường được sử dụng trong cấu hình "song song": đầu tiên, các ion tích điện âm được tiêm ở một đầu về phía cực cuối, nơi chúng được gia tốc bởi lực hấp dẫn về phía cực. Khi các hạt đến thiết bị đầu cuối, chúng bị tước đi một số electron để khiến chúng tích điện dương và sau đó được gia tốc bởi lực đẩy ra khỏi thiết bị đầu cuối. Cấu hình này dẫn đến hai lần tăng tốc cho chi phí của một máy phát Van de Graaff và có thêm lợi thế là để các thiết bị nguồn ion phức tạp có thể tiếp cận gần tiềm năng mặt đất.
Điện áp được tạo ra bởi một máy Van de Graaff ngoài trời bị giới hạn bởi sự phóng điện và phóng điện corona xuống còn khoảng 5 megavol. Hầu hết các máy móc công nghiệp hiện đại được đặt trong một bình chứa áp suất của khí cách điện; những thứ này có thể đạt được tiềm năng lên tới khoảng 25 megavol.
Mô tả [ chỉnh sửa ]
Một máy phát Van de Graaff đơn giản bao gồm một đai cao su (hoặc một vật liệu điện môi linh hoạt tương tự) di chuyển trên hai con lăn bằng vật liệu khác nhau, một trong số đó được bao quanh bởi một quả cầu kim loại rỗng. [2] Hai điện cực, (2) và (7), dưới dạng các hàng kim loại sắc nhọn hình lược, được đặt gần đáy của con lăn dưới và bên trong quả cầu, trên con lăn phía trên. Lược (2) được nối với quả cầu và lược (7) nối đất. Phương pháp sạc dựa trên hiệu ứng điện áp, do đó sự tiếp xúc đơn giản của các vật liệu không giống nhau gây ra sự chuyển một số điện tử từ vật liệu này sang vật liệu khác. Ví dụ (xem sơ đồ), cao su của đai sẽ bị tích điện âm trong khi kính acrylic của con lăn phía trên sẽ tích điện dương. Vành đai mang điện tích âm trên bề mặt bên trong của nó trong khi con lăn phía trên tích lũy điện tích dương. Tiếp theo, điện trường mạnh bao quanh con lăn phía trên dương (3) tạo ra một điện trường rất cao gần các điểm của chiếc lược gần đó (2). Tại các điểm, trường trở nên đủ mạnh để ion hóa các phân tử không khí và các electron bị hút vào bên ngoài vành đai trong khi các ion dương đi đến lược. Ở lược (2) chúng bị trung hòa bởi các electron nằm trên lược, do đó để lại lược và lớp vỏ bên ngoài (1) có ít electron hơn. Theo nguyên tắc được minh họa trong thí nghiệm thùng đá Faraday, tức là theo định luật Gauss, điện tích dương dư thừa được tích lũy ở bề mặt ngoài của lớp vỏ ngoài (1), không để lại trường bên trong lớp vỏ. Cảm ứng tĩnh điện bằng phương pháp này vẫn tiếp tục, tạo ra một lượng điện tích rất lớn trên vỏ.
Trong ví dụ, con lăn dưới (6) là kim loại, lấy điện tích âm ra khỏi bề mặt bên trong của đai. Chiếc lược thấp hơn (7) phát triển một điện trường cao tại các điểm của nó cũng đủ lớn để ion hóa các phân tử không khí. Trong trường hợp này, các electron bị hút vào lược và các ion không khí dương trung hòa điện tích âm trên bề mặt ngoài của đai hoặc gắn vào đai. Sự cân bằng chính xác của các chi phí ở phía lên và xuống của vành đai sẽ phụ thuộc vào sự kết hợp của các vật liệu được sử dụng. Trong ví dụ, vành đai chuyển động đi lên phải tích cực hơn vành đai di chuyển xuống. Khi vành đai tiếp tục di chuyển, một "dòng sạc" không đổi di chuyển qua vành đai và quả cầu tiếp tục tích lũy điện tích dương cho đến khi tốc độ sạc bị mất (thông qua rò rỉ và phóng điện corona) bằng với dòng sạc. Quả cầu càng lớn và càng xa mặt đất thì tiềm năng cực đại của nó càng cao. Trong ví dụ, cây đũa có hình cầu kim loại (8) được nối với mặt đất, cũng như chiếc lược thấp hơn (7); các electron được hút lên khỏi mặt đất do lực hút của quả cầu dương và khi điện trường đủ lớn (xem bên dưới), không khí bị phá vỡ dưới dạng tia lửa phóng điện (9). Vì vật liệu của đai và con lăn có thể được chọn, nên điện tích tích lũy trên quả cầu kim loại rỗng có thể được tạo thành dương (thiếu điện tử) hoặc âm (điện tử dư).
Loại máy phát ma sát được mô tả ở trên dễ chế tạo hơn cho các dự án khoa học hoặc tự chế, vì nó không yêu cầu nguồn điện áp cao. Tiềm năng lớn hơn có thể đạt được với các thiết kế thay thế (không được thảo luận ở đây) trong đó các nguồn điện áp cao được sử dụng ở vị trí trên và / hoặc dưới của đai để truyền điện tích hiệu quả hơn vào và ra khỏi đai.
Một thiết bị đầu cuối của máy phát Van de Graaff không cần phải có dạng hình cầu để hoạt động, và trên thực tế, hình dạng tối ưu là một hình cầu có đường cong vào trong xung quanh lỗ mà vành đai đi vào. Một thiết bị đầu cuối tròn làm giảm tối thiểu điện trường xung quanh nó, cho phép đạt được tiềm năng lớn hơn mà không bị ion hóa không khí, hoặc khí điện môi khác, xung quanh. Bên ngoài quả cầu, điện trường trở nên rất mạnh và việc tích điện trực tiếp từ bên ngoài sẽ sớm bị trường ngăn chặn. Vì các dây dẫn tích điện không có bất kỳ điện trường nào bên trong, nên các điện tích có thể được thêm liên tục từ bên trong mà không làm tăng chúng lên toàn bộ tiềm năng của vỏ ngoài. Vì một máy phát Van de Graaff có thể cung cấp cùng một dòng điện nhỏ ở hầu hết mọi mức điện thế, đây là một ví dụ về nguồn dòng gần như lý tưởng.
Tiềm năng có thể đạt được tối đa gần bằng bán kính hình cầu R nhân với điện trường E max khi đó phóng điện corona bắt đầu hình thành trong khí xung quanh. Đối với không khí ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (STP), trường sự cố là khoảng 30 kV / cm. Do đó, một điện cực hình cầu được đánh bóng có đường kính 30 cm có thể được dự kiến sẽ phát triển điện áp cực đại V max = R · E max khoảng 450 kV. Điều này giải thích tại sao máy phát điện Van de Graaff thường được chế tạo với đường kính lớn nhất có thể.
Máy phát điện Van de Graaff dùng cho giáo dục trong trường học
Với thiết bị đầu cuối hình xúc xích được tháo ra
Điện cực kết hợp ở dưới đáy có tích điện vào dây đai
Kết hợp điện cực ở trên cùng để loại bỏ điện tích khỏi dây đai [ chỉnh sửa ]
Khái niệm về một máy phát tĩnh điện trong đó điện tích được vận chuyển một cách cơ học vào bên trong một điện cực cao áp có nguồn gốc từ ống nhỏ giọt Kelvin, được phát minh vào năm 1867 bởi William Thomson (Lord Kelvin), [3] trong đó các giọt nước tích điện rơi vào một cái xô có cùng điện tích phân cực, thêm vào điện tích. [4] Trong một cỗ máy loại này, lực hấp dẫn di chuyển những giọt nước chống lại đối phương trường tĩnh điện của xô. Bản thân Kelvin trước tiên đề nghị sử dụng đai để mang điện tích thay vì nước. Máy tĩnh điện đầu tiên sử dụng đai vô tận để vận chuyển điện tích được chế tạo vào năm 1872 bởi Augusto Righi. [1][4] Nó sử dụng đai cao su ấn độ với các vòng dây dọc theo chiều dài của nó như các hạt mang điện, truyền vào điện cực kim loại hình cầu. Điện tích được đặt vào đai từ con lăn dưới được nối đất bằng cảm ứng tĩnh điện sử dụng tấm tích điện. John Gray cũng đã phát minh ra một chiếc máy đai vào khoảng năm 1890. [4] Một chiếc máy đai khác phức tạp hơn được phát minh vào năm 1903 bởi Juan Burboa [1][5] Một nguồn cảm hứng tức thời hơn cho Van de Graaff là máy phát điện WFG Swann đang phát triển trong những năm 1920. Vận chuyển đến một điện cực bằng những quả bóng kim loại rơi xuống, do đó trở về nguyên lý của ống nhỏ giọt Kelvin. [1] [6]
Lý do mà điện tích rút ra từ vành đai di chuyển ra bên ngoài điện cực hình cầu, mặc dù nó đã có điện tích cao cùng cực, được giải thích bằng thí nghiệm thùng đá Faraday. [7]
Máy phát điện Van de Graaff đã được phát triển, bắt đầu từ năm 1929, bởi nhà vật lý Robert J. Van de Graaff tại Đại học Princeton với học bổng, với sự giúp đỡ từ đồng nghiệp Nicholas Burke. Mô hình đầu tiên được trình diễn trong tháng 10 năm 1929. [8] Chiếc máy đầu tiên sử dụng một hộp thiếc thông thường, một động cơ nhỏ và một dải ruy băng lụa mua tại một cửa hàng năm xu. Sau đó, ông đã đến chủ tịch của khoa vật lý yêu cầu 100 đô la để tạo ra một phiên bản cải tiến. Anh ta đã nhận được tiền, với một số khó khăn. Đến năm 1931, ông có thể báo cáo đạt được 1,5 triệu volt, nói rằng "Máy này đơn giản, rẻ tiền và di động. Một ổ cắm đèn thông thường cung cấp năng lượng duy nhất cần thiết." [9][10] Theo một ứng dụng bằng sáng chế, nó có hai 60 cm- đường kính tích lũy điện tích quả cầu gắn trên cột thủy tinh borosilicate cao 180 cm; bộ máy chỉ có giá 90 đô la trong năm 1931. [11]
Van de Graaff đã xin cấp bằng sáng chế thứ hai trong tháng 12 năm 1931, được giao cho Viện Công nghệ Massachusetts để đổi lấy một phần thu nhập ròng. Bằng sáng chế sau đó đã được cấp.
Trong năm 1933, Van de Graaff đã xây dựng một mô hình 40 ft (12 m) tại cơ sở Round Hill của MIT, việc sử dụng được tặng bởi Đại tá Edward H. R. Green.
Một trong những máy gia tốc của Van de Graaff đã sử dụng hai vòm điện tích có kích thước đủ để mỗi vòm có phòng thí nghiệm bên trong – một để cung cấp nguồn của chùm gia tốc và cái còn lại để phân tích thí nghiệm thực tế. Sức mạnh cho các thiết bị bên trong mái vòm là từ các máy phát điện chạy ra khỏi vành đai, và một vài phiên đã kết thúc khá khủng khiếp khi một con chim bồ câu cố gắng bay giữa hai mái vòm, khiến chúng phóng điện. (Máy gia tốc được đặt trong nhà chứa máy bay.) [12]
Trong năm 1937, công ty Westinghouse Electric đã chế tạo một cỗ máy 65 feet (20 m), Máy nghiền nguyên tử Westinghouse có khả năng tạo ra 5 MeV trong Đồi rừng, Pennsylvania. Nó đánh dấu sự khởi đầu của nghiên cứu hạt nhân cho các ứng dụng dân sự. [13][14] Nó đã ngừng hoạt động vào năm 1958 và bị phá hủy vào năm 2015. [15]
Một phát triển gần đây là máy gia tốc Van de Graaff, có chứa một hoặc nhiều máy phát Van de Graaff, trong đó các ion tích điện âm được gia tốc thông qua một sự khác biệt tiềm năng trước khi bị tước đi hai hoặc nhiều electron, bên trong một thiết bị đầu cuối điện áp cao và tăng tốc trở lại. Một ví dụ về hoạt động ba giai đoạn đã được xây dựng trong Phòng thí nghiệm hạt nhân Oxford trong năm 1964 của một "mũi tiêm" 10 MV đơn và một song song 6 MV EN [16] [ trang cần thiết ]
Vào những năm 1970, có thể đạt được 14 triệu volt tại thiết bị đầu cuối sử dụng một bể chứa khí hexafluoride áp suất cao (SF 6 ) để ngăn chặn tia lửa điện. Điều này cho phép tạo ra các chùm ion nặng gồm vài chục megaelectronvolts, đủ để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân trực tiếp ion nhẹ. Tiềm năng lớn nhất được duy trì bởi máy gia tốc Van de Graaff là 25,5 MV, đạt được bằng song song trong Cơ sở chùm tia phóng xạ Holifield trong Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge. [17]
Một phát triển tiếp theo là viên đạn, trong đó dây cao su hoặc vải được thay thế bằng một chuỗi các thanh dẫn ngắn được nối với nhau bằng các liên kết cách điện, và các điện cực ion hóa không khí được thay thế bằng một con lăn nối đất và điện cực sạc cảm ứng. Chuỗi có thể được vận hành với vận tốc lớn hơn nhiều so với một vành đai, và cả điện áp và dòng điện đạt được đều lớn hơn nhiều so với máy phát Van de Graaff thông thường. Máy gia tốc ion nặng 14 UD tại Đại học Quốc gia Úc chứa một viên đạn 15 triệu volt. Chuỗi của nó dài hơn 20 mét và có thể di chuyển nhanh hơn 50 km mỗi giờ (31 dặm / giờ). [18]
Cơ sở cấu trúc hạt nhân (NSF) [19] tại Phòng thí nghiệm Daresbury đã được đề xuất trong thời gian những năm 1970, được đưa vào hoạt động trong năm 1981 và được mở cho các thí nghiệm trong năm 1983. Nó bao gồm một máy phát Van de Graaff song song hoạt động thường xuyên ở 20 MV, được đặt trong một tòa nhà đặc biệt cao 70 m. Trong suốt vòng đời của nó, nó đã tăng tốc 80 chùm ion khác nhau để sử dụng thử nghiệm, từ proton đến uranium. Một tính năng đặc biệt là khả năng tăng tốc các chùm tia đồng vị và phóng xạ hiếm. Có lẽ khám phá quan trọng nhất được thực hiện bằng NSF là hạt nhân siêu biến dạng. Những hạt nhân này, khi được hình thành từ sự hợp nhất của các yếu tố nhẹ hơn, quay rất nhanh. Mô hình của tia gamma phát ra khi chúng làm chậm cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc bên trong của hạt nhân. Sau khi cắt giảm tài chính, NSF đã đóng cửa vào năm 1993.
Máy phát điện giải trí và giáo dục [ chỉnh sửa ]
Máy phát điện Van de Graaff cách nhiệt lớn nhất thế giới, được tiến sĩ Van de Graaff chế tạo trong những năm 1930, hiện được trưng bày vĩnh viễn tại Bảo tàng Boston Khoa học. Với hai quả cầu nhôm 4,5 m (15 ft) dính liền nhau đứng trên cột cao 22 ft (6,7 m), máy phát này thường có thể thu được 2 MV (2 triệu volt). Các chương trình sử dụng máy phát Van de Graaff và một số cuộn Tesla được tiến hành hai đến ba lần một ngày. Nhiều bảo tàng khoa học, chẳng hạn như Bảo tàng Khoa học và Năng lượng Hoa Kỳ, có máy phát điện Van de Graaff quy mô nhỏ được trưng bày và khai thác phẩm chất sản xuất tĩnh của chúng để tạo ra "tia sét" hoặc làm cho tóc của mọi người đứng lên. Máy phát điện Van de Graaff cũng được sử dụng trong các trường học và các chương trình khoa học.
So sánh với các máy tạo tĩnh điện khác [ chỉnh sửa ]
Các máy tĩnh điện khác như máy Wimshurst hoặc máy Bonetti [20] hoạt động tương tự như Van De Graaff; điện tích được vận chuyển bằng cách di chuyển các tấm, đĩa hoặc xi lanh đến một điện cực cao áp. Tuy nhiên, đối với các máy phát điện này, phóng điện corona từ các bộ phận kim loại tiếp xúc với tiềm năng cao và cách điện kém hơn dẫn đến điện áp nhỏ hơn. Trong một máy phát tĩnh điện, tốc độ điện tích được vận chuyển (dòng điện) đến điện cực cao áp là rất nhỏ. Sau khi máy được khởi động, điện áp trên điện cực đầu cuối tăng cho đến khi dòng rò từ điện cực bằng với tốc độ vận chuyển điện tích. Do đó, rò rỉ từ thiết bị đầu cuối xác định điện áp tối đa đạt được. Trong máy phát điện Van de Graaff, vành đai cho phép vận chuyển điện tích vào bên trong một điện cực hình cầu rỗng lớn. Đây là hình dạng lý tưởng để giảm thiểu rò rỉ và phóng điện corona, vì vậy máy phát điện Van de Graaff có thể tạo ra điện áp lớn nhất. Đây là lý do tại sao thiết kế Van de Graaff đã được sử dụng cho tất cả các máy gia tốc hạt tĩnh điện. Nói chung, đường kính càng lớn và hình cầu càng mịn thì điện áp có thể đạt được càng cao.
Bằng sáng chế [ chỉnh sửa ]
Xem thêm [ chỉnh sửa ]
Tài liệu tham khảo [ 19659063] ^ a b c de Graaff, RJ; Compton, K.T.; Van Atta, L. C. (tháng 2 năm 1933). "Sản xuất tĩnh điện của điện áp cao cho điều tra hạt nhân" (PDF) . Đánh giá vật lý . 43 (3): 149 Cơ 157. Mã số: 1933PhRv … 43..149V. doi: 10.1103 / PhysRev.43.149 . Truy cập 31 tháng 8, 2015 .
Liên kết ngoài [ chỉnh sửa ]