Generator Van de Graffa

Zestaw ten to klasyczny generator Van de Graaffa z napędem ręcznym, pozwalający uzyskać iskrę elektryczną o długości do 10 cm. Dzięki wykorzystaniu do konstrukcji modelu przezroczystych materiałów doskonale nadaje się on do celów edukacyjnych, dając możliwość nie tylko doświadczeń z wyładowaniami elektrycznymi ale również prezentacji zasady działania tego urządzenia.

Budowa/Opis techniczny:
Generator znajduje się na podstawie z pleksiglasu o wymiarach 38 cm długości i 26 cm szerokości, na której zamontowane jest koło napędowe z korbką oraz statyw, wewnątrz którego na dwóch rolkach na jego końcach założony jest pas. Koło napędowe z korbką napędza dolną rolkę, zmuszając pas do ruchu; zastosowana przekładnia (promień koła napędzającego jest ok. 8 razy większy od promienia rolki napędzanej) umożliwia szybki ruch pasa przy umiarkowanej częstości obrotów korby. Statyw zwieńczony jest metalową czaszą o średnicy ok. 27 cm zbierającą ładunki elektryczne z pasa. Wysokość urządzenia to ok. 75 cm.
Drugi biegun maszyny to metalowa kula o średnicy ok. 10 cm, osadzona na izolującym trzonku o długości ok. 30 cm. Z trzonka wychodzą podłączone do kuli dwa przewody zakończone: wtykiem bananowym (do podłączenia w jedno z gniazd generatora pod dolną rolką) oraz zaciskiem krokodylkowym dla łatwego podłączenia do uziemienia.
Do zestawu dołączone są akcesoria: pióropusz oraz młynek Franklina z igłą.
Ze względu na wysokie napięcia uzyskiwane w urządzeniu dzięki elektrostatyce generator powinien być przechowywany i obsługiwany ze szczególną troską. Zestaw należy przechowywać i używać przede wszystkim w suchym miejscu. Nie należy przenosić go dotykając statywu izolującego czaszę zbierającą ładunki od podstawy czy też trzymając za samą czaszę. Przenosić go należy trzymając za podstawę. Należy dbać o czystość czaszy zbierającej ładunki i kuli służącej do rozładowania. W razie potrzeby można użyć suszarki do włosów dla dokładnego wysuszenia przyrządu.
Doświadczenia z generatorem warto przeprowadzać zaraz na początku lekcji po przewietrzeniu sali, kiedy w powietrzu w pomieszczeniu jest jeszcze niewiele pary wodnej z płuc i ciała wielu uczniów.

Działanie:

• Prezentacja iskry elektrycznej:

Aby uruchomić urządzenie należy połączyć dolny grzebień zbierający ładunki z kulą rozładowującą za pomocą wtyku bananowego i (opcjonalnie) uziemić przez kontakt elektryczny łącznika krokodylkowego np. z siecią wodociągową. Nawet jeśli nie korzystamy z uziemienia przewody nie powinny dotykać stołu lub czegokolwiek innego, należy je zwinąć razem tak, aby swobodnie zwisały w powietrzu. Dotykamy kulą czaszy i kręcimy korbą, po chwili odejmując kulę od czaszy i odsuwając ją na coraz dalej, obserwując przeskok coraz dłuższych iskier. Zwracamy uwagę na maksymalną długość pojawiających się iskier. Po zaprzestaniu kręcenia korbą rozładowujemy czaszę przez dotknięcie kulą.

• Działanie ostrzy – ulot ładunku:

W gniazdo na szczycie czaszy wtykamy gniazdo bananowe zwieńczone igłą. Powtarzamy elektryzowanie czasy i badamy długość iskry – tym razem najdłuższe są ok. 2-3 razy krótsze niż poprzednio. Wyjaśniamy iż krzywizna przewodnika wpływa na gęstość powierzchniową ładunku – dlatego do jego gromadzenia stosuje się duży promień krzywizny przewodnika a więc kulę czy sferę o jak największym promieniu. Jeśli chcemy pozbyć się ładunku – stosujemy ostrza o bardzo małym promieniu krzywizny (np. w piorunochronie). Po rozładowaniu czaszy na igłę nasadzamy młynek Franklina i doświadczenie powtarzamy. Młynek zaczyna się kręcić w stronę przeciwną niż wskazują jego ostrza, co potwierdza rozładowywanie się czaszy przez ostrza.

• Pióropusz – wskaźnik naładowania i oddziaływanie ładunków:

W gniazdo na szczycie czaszy wtykamy pióropusz z kilkoma nitkami. Po naelektryzowaniu czaszy nici odskakują od siebie i utrzymują się w tej pozycji jak najdalej od siebie. Wniosek: ciała naładowane jednoimiennie odpychają się. Do pióropusza zbliżamy kulę rozładowującą i obserwujemy przyciąganie się ładunków różnoimiennych.

• Stawianie włosów dęba generatorem o napędzie manualnym

Generator stoi na brzegu stołu. Przy stole należy postawić izolator, np. kilka warstw styropianu budowlanego lub odwrócone do góry dnem wiaderko (wiaderka) - będzie to podstawa, na której stanie ochotnik. Wysokość podstawy powinna być tak dobrana, by ochotnik stojący na niej mógł swobodnie położyć ręce na większej, stacjonarnej elektrodzie generatora.

Wybieramy osobę do pokazu - powinna mieć ona włosy długie i proste, suche i najlepiej cienkie (wiotkie), choć czasem eksperyment z kimś na oko mniej nadającym się do pokazu może zaskoczyć. Ważne, aby nie miał wszczepionego rozrusznika serca czy tego typu urządzenia lub samych problemów z rytmem tego narządu.

Prosimy ochotnika o wejście na izolator i położenie obu dłoni na większej kuli generatora.
Wolną elektrodę trzymamy daleko od stacjonarnej, mocując w statywie lub trzymając ją w ręku. Generator gromadzi ładunki na czaszy i ochotniku. Włosy powinny zacząć odstawać od głowy. Można też do jednej ręki ochotnikowi (przed rozpoczęciem pokazu!) wręczyć pióropusz z zestawu 146. do elektrostatyki. Ładowanie należy prowadzić przez dłuższy czas.

W celu zakończenia pokazu należy najpierw przestać napędzać pas generatora, a następnie, do wyboru:

- rozładować maszynę i ochotnika przez dotknięcie elektrodą mobilną tej stacjonarnej
- pozwolić się rozładować ochotnikowi przez zwykłe zejście z podestu i ewentualne dotknięcie kogoś
- trzymając ochotnika na podeście pozwolić mu dotknąć kogoś z widowni (lub łańcucha ludzi z widowni).

Po rozładowaniu ochotnika pokaz jest zakończony.

Przykładowe wykorzystanie pomocne w realizacji podstawy programowej z fizyki:
III etap edukacyjny, punkt 4., podpunkt 2). „Uczeń opisuje jakościowo oddziaływanie ładunków jednoimiennych i różnoimiennych".
IV etap edukacyjny, poziom rozszerzony, punkt 7., podpunkt 12). „Uczeń opisuje wpływ pola elektrycznego na rozmieszczenie ładunków w przewodniku, wyjaśnia działanie piorunochronu i klatki Faradaya".