В начале 1930-х годов доктор Роберт Ван де Грааф , работавший на тот момент научным сотрудником в Массачусетском технологическом институте и занимавшийся научными исследованиями в области ядерной физики и ускорительной техники, разработал, спроектировал и в скором времени соорудил высоковольтный электростатический ускоритель, работающий по принципу электризуемой ионами воздуха конвейерной ленты (1933).

Позже, в 1936 году, Ван де Граафом был построен (все по тому же принципу) самый большой в мире электростатический генератор постоянного напряжения — тандемный генератор Ван де Граафа, состоящий из двух высоких башен.

Газеты того времени называли изобретение доцента не иначе как революционным, предрекали ему «свершать чудеса» и «открывать тайны природы». Столь сильный ажиотаж в прессе вовсе не удивителен, ведь самый большой двухкаскадный генератор Ван де Граафа состоял из двух огромных колонн диаметром почти по 2 метра каждая и высотой примерно по 15 метров (с закрепленными сверху на колоннах металлическими сферами диаметром по 4,5 метра, внутрь которых механически подавался электрический заряд) и позволял получать разность потенциалов в 7000000 вольт.

Несмотря на низкий КПД устройства в целом (порядка 23%), люди, видевшие чудесный прибор в работе, испытывали неизгладимое впечатление, ведь искровые разряды получались более метра длиной.

Мощности генератора Ван де Граафа хватало для реальной исследовательской работы, — для ускорения атомных ядер, а также элементарных частиц, таких как протоны и электроны, до достаточно высоких скоростей. Так генератор Ван де Граафа, использованный в ускорителях, помогал ученым выявлять составные части атомов, являющие собой структуру физической вселенной.

Говорят, идея относительно принципа работы высоковольтного генератора пришла Ван де Граафу, когда он был еще студентом и наблюдал то и дело проскакивавшие искры статического электричества на работающем печатном станке.

Принцип действия генератора заключается в следующем. Шелковая или резиновая лента (диэлектрическая лента) натянута и вращается подобно конвейерной ленте на паре роликов, один из которых находится в основании колонны, второй — внутри полости проводящей сферы наверху. Нижний ролик изготовлен из металла и гальванически соединен с землей, он приводится во вращение двигателем. Верхний ролик — диэлектрический.

К ленте снизу, под нижним роликом, с небольшим зазором подведена металлическая щетка, соединенная с положительной клеммой источника высокого напряжения, отрицательная клемма которого присоединена непосредственно к нижнему ролику.

Итак, между нижним роликом и щеткой движется диэлектрическая лента (в реальном генераторе лента имела ширину около 120 см).

Под действием высокого напряжения (порядка 20000 вольт) между роликом и щеткой, воздух между ними ионизируется и положительные ионы воздуха, влекомые силой Кулона, устремляются к отрицательно заряженному ролику. Но поскольку на пути ионов находится диэлектрическая лента, ионы оседают на ленте, заряжая ее таким образом.

Лента движется снизу вверх, внизу она непрерывно получает заряд, одновременно с этим заряд с ее поверхности непрерывно забирается возле верхнего ролика, так как верхний ролик внутри сферы тоже имеет расположенную рядом с собой щетку.

Щетка снимает заряд с ленты, и будучи соединена гальванически с внутренней поверхностью полой проводящей сферы, передает ей заряд, все больше и больше электризуя эту сферическую емкость по всей ее наружной поверхности, по сути нагнетая, накачивая в нее заряд.

Принципиальная возможность накопления заряда в емкости сферы генератора Ван де Граафа ограничивается коронным разрядом, который неизбежно возникнет из-за ионизации окружающего сферу воздуха. Теоретический предел для сферы диаметром 4,5 метра составляет примерно 17000000 вольт.

Каково применение генератора?

Генератор Ван де Граафа может вырабатывать на своей сферической крышке напряжение более 10 миллионов вольт. В ядерной физике такое высокое напряжение можно использовать для ускорения разного рода заряженных частиц, таких как протоны, электроны и т. д.

Кроме того, с помощью генератора можно продемонстрировать множество интересных явлений связанных со статическим электричеством.

Например, он может заставить ваши волосы встать дыбом, притянуть металлический или полистироловый шарик, произвести электрическую искру и генерировать т. н. электрический ветер, приводящий во вращение мини-ветряк. Благодаря этим явлениям мы можем лучше понять природу статического электричества.

Американский ученый Джеймс Стаки и доброволец Джуди Криден демонстрируют способность человеческого организма проводить электрический ток. Лекция в Нью-Йорке, 1966 г.

Применение статического электричества в повседневной жизни

Существует множество применений статического электричества в повседневной жизни, включая фотокопирование, электростатическую фильтрацию и электростатическое распыление.

Кроме того, дополнительные знания о статическом электричестве могут помочь нам предотвратить возможные опасности. Например, к задней части автомобиля, перевозящего легковоспламеняющиеся материалы, прикреплена железная цепь, которая передает заряд на землю, чтобы предотвратить пожар, вызванный искрами.

По той же причине, поскольку в больнице часто используются кислород и легковоспламеняющиеся анестетики, пол в операционной обычно антистатичен, и все инструменты должны быть заземлены. Это предотвращает взрыв, вызванный искрами.

Смотрите также: Статическое электричество в природе и технике