مولد واندوگراف — به زبان ساده

اگر می‌خواهید در مورد مولد واندوگراف در اینترنت جستجو کنید، باید مطمئن شوید که اشتباهاً به صفحات گروه موسیقی راک (ٰVan der Graaf Generator) هدایت نشده‌اید، زیرا دقیقاً در سال ۱۹۶۷ یعنی ۳۸ سال بعد از اختراع مولد واندوگراف توسط فیزیکدان آمریکایی، «رابرت واندوگراف» (Robert J. Van de Graaf)، گروهی موسیقی به همین نام در انگلیس ایجاد شد. در مورد این گروه موسیقی در این صفحه اطلاعاتی نخواهید یافت، ولی اگر علاقه‌مند هستید تا با طرز کار و فیزیک مولد واندوگراف آشنا شوید، این مطلب را تا انتها بخوانید.

الکتریسیته ساکن

برای آشنا شدن با طرز کار مولد واندوگراف لازم است با مفهوم الکتریسته ساکن آشنا شوید. تقریباً همه ما با الکتریسیته ساکن آشنا هستیم، زیرا مخصوصاً در زمستان می‌توانیم آن را ببینیم و احساس کنیم. در روزهای خشک زمستان، وجود الکتریسیته ساکن در بدن ما زمانی که به فلز یا بدن فرد دیگری دست می‌زنیم، منجر به ایجاد جرقه‌ای می‌شود که می‌توان آن را دید، احساس کرد و صدایش را شنید. همچنین آزمایش معروفی که همه ما در مدرسه انجام داده‌ایم مثال دیگری از الکتریسیته ساکن است که با مالش یک میله شیشه‌ای با پارچه ابریشمی یا یک تکه کهربا با لباس پشمی، توانسته‌ایم تکه‌های کاغذ یا پلاستیک را کمی با میله یا کهربای باردار جابه‌جا کنیم.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

برای درک اینکه چه اتفاقی می‌افتد که بدن ما در زمستان یا میله شیشه‌ای بعد از مالش باردار می‌شوند، باید کمی در مورد اتم صحبت کنیم. تمام مواد از اتم‌ها تشکیل شده‌اند و اتم‌ها شامل ذرات باردار هستند. ساختار اتم بدین صورت است که هسته آن‌ از نوترون و پروتون تشکیل شده و اطراف هسته یک پوسته وجود دارد که از الکترون‌ها ساخته شده است.

به طور طبیعی، مواد در عالم به صورت خنثی وجود دارند، به این معنی که تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها در یک اتم با یکدیگر برابر است. اگر یک اتم الکترون بیشتری داشته باشد، بار منفی و اگر پروتون بیشتری داشته باشد بار مثبت دارد.

در بعضی از اتم‌ها به سختی می‌توان الکترونی از اتم آزاد کرد، در مقابل موادی وجود دارند که به راحتی می‌توان الکترون‌های آن‌ها را آزاد کرد. توانایی یک ماده برای به دست آوردن یا از دست دادن الکترون با جدول «تریبو الکتریک» (Triboelectric) مشخص می‌شود. هرچه مرتبه ماده‌ای در لیست تریبو الکتریک بالاتر باشد، یعنی ماده به راحتی الکترون از دست می‌دهد و هرچه مرتبه در این لیست پایین‌تر باشد، یعنی جسم به راحتی الکترون‌ می‌گیرد و به سختی الکترون از دست می‌دهد. جدول تریبو الکتریک در شکل زیر نمایش داده شده است. برای آشنایی بیشتر با اتم و ذرات دیگر، می‌توانید فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی (Particle physics) را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده است. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

عوامل موثر در شدت جرقه الکتریکی

سطح درگیری دو جسم: حال که از منشاء جرقه الکتریکی آگاه شدید، ممکن است این سوال برایتان به وجود بیاید که چرا همیشه این پدیده را در هنگام بلند کردن کاغذ از میز مشاهده نمی‌کنید؟ مقدار بار جابه‌جا شده بین دو جسم که با یکدیگر در ارتباط هستند به جنس مواد و مقدار سطح درگیری بین آن‌ها بستگی دارد. برای مثال اگر با میکروسکوپ به سطح یک میز نگاه کنید، متوجه می‌شوید که سطح میز بسیار ناهموار است، طبیعتاً با مسطح کردن سطح میز، سطح درگیری بین کاغذی که روی آن قرار گرفته افزایش می‌یابد و در نتیجه انتقال بار (ولتاژ) بیشتر می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

رطوبت هوا: عامل مهم دیگر در انتقال بار الکتریکی بین دو جسم که در مواجهه با یکدیگر قرار می‌گیرند، رطوبت است. اگر رطوبت زیاد باشد عدم تعادل بار الکتریکی بین دو جسم برای مدت زمان طولانی باقی نخواهد ماند. در حقیقت در حضور رطوبت بالا، سطح مواد با رطوبت پوشیده شده و مسیری با مقاومت کم برای جریان الکترونی فراهم می‌شود. این امر موجب می‌شود تا عدم تعادل بار بین دو جسم به سرعت خنثی شود و هر دو ماده به تعادل الکتریکی دست یابند. این در حالی است که اگر هوا خیلی خشک باشد، عدم تعادل بار الکتریکی تا مرتبه‌های بالایی افزایش می‌یابد و ولتاژ می‌تواند به ده‌ها هزار ولت برسد!

ناخالصی و آلودگی در هوا: وقتی ذرات گرد و غبار در هوا باشد، هوا در یک میدان الکتریکی به راحتی تجزیه می شود. بدین معنی که ذرات گرد و غبار باعث می‌شوند که هوا به راحتی یونیزه شده و الکترون‌هایش از آن جدا شوند. این حالت از هوا را پلاسما می‌نامیم. پلاسما یک هادی بسیار خوب است، در حقیقت وجود ناخالصی و گرد و غبار سبب می‌شود هدایت الکتریکی هوا افزایش یابد. در این حالت همانند زمانی که رطوبت هوا بالا است، دو جسم که در مواجهه با یکدیگر هستند به سرعت به تعادل می‌رسند و جرقه الکتریکی رخ نمی‌دهد.

مولد واندوگراف

با توجه به مطالب گفته شده در قسمت‌های قبل، می‌توان به راحتی هدف مولد یا ژنراتور واندوگراف را درک کرد. در حقیقت این مولد برای تولید الکتریسیته ساکن و استفاده از آن در آزمایش‌ها طراحی شده است. فیزیکدان آمریکایی «رابرت جمیسون واندوگراف» (Robert Jemison Van de Graaf) این مولد را در سال 1931 اختراع کرد. این دستگاه توانایی تولید ولتاژهای بسیار بالا تا مرتبه بالاتر از 20 میلیون ولت را دارد.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

واندوگراف این مولد را برای تأمین انرژی لازم شتاب دهنده‌های ذرات اولیه اختراع کرد. این شتاب دهنده‌ها به عنوان دستگاه‌های خردکننده اتم شناخته می‌شدند. این دستگاه‌ها به ذرات زیر اتمی شتاب زیادی می‌دادند که منجر به سرعت بالای این ذرات می‌شد. سپس ذرات شتابدار با هدف مشخص برخورد داده می‌شدند، در نتیجه این برخورد ذرات زیر اتمیِ دیگر و تابش‌هایی با انرژی بالا مانند اشعه X ایجاد می‌شد. توانایی تولید این برخوردهای دارای انرژی بالا، اساس فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای است. در ویدیوی زیر روش کار مولد واندوگراف نمایش داده شده است.

مولد واندوگراف یک دستگاه الکترواستاتیک با جریان ثابت است. هنگامی که یک بار الکتریکی روی مولد قرار می‌گیرد، جریان الکتریکی تغییر نمی‌کند، در حقیقت جریان الکتریکی ثابت است و تغییر بار باعث تغییر ولتاژ می‌شود. بدین معنا که هرچه از کره آلومینیومی یا فولادی (جنس کره مولد می‌تواند آلومینیومی یا فلزی باشد) به سمت پایین دستگاه حرکت کنیم، ولتاژ کاهش می یابد، ولی جریان ثابت است. به طور معمول مولدهای واندوگراف جریان بسیار کوچکی (از مرتبه میکروآمپر) تولید می کنند.

بنابراین، جرقه الکتریکی که یک فرد از مولد واندوگراف تجربه می‌کند، ممکن است دردناک باشد اما حتی در ولتاژ بالا برای اکثر افراد آسیب جدی نخواهد داشت. طرز کار مولد واندوگراف عکس کار در باتری‌ها است. باتری‌ها به عنوان دستگاه‌های ولتاژ ثابت شناخته می‌شوند، زیرا زمانی که بار در آن‌ها تغییر می‌کند ولتاژ ثابت است و جریان تغییر خواهد کرد.

مولد واندوگراف را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:

1. نوع اول که از منبع تغذیه ولتاژ بالا برای کارکرد دستگاه استفاده می‌شود.
2. نوع دوم که از تسمه و غلتک برای کارکرد دستگاه استفاده می‌شود.

در ادامه طرز کار نوع دوم را بیان خواهیم کرد.

طرز کار مولد واندوگراف دارای تسمه و غلتک

این نوع مولد از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:

1. یک موتور
2. دو غلتک
3. یک تسمه
4. دو شانه
5. ترمینال خروجی (معمولاً یک گوی فلزی یا آلومینیومی)

با روشن شدن موتور، غلتک پایین شروع به چرخاندن تسمه می‌کند. از آنجا که تسمه از لاستیک ساخته شده و غلتک پایینی با نوار سیلیکونی پوشانده شده است، غلتک پایین دارای بار منفی و تسمه به صورت مثبت باردار می‌شود. می‌توان باردار شدن لاستیک و سیلیکون را به راحتی توضیح داد: دو جسم در مجاورت یکدیگر قرار گرفته‌اند که در جدول تریبو الکتریک، سیلیکون پایین‌تر از لاستیک است، به همین دلیل لاستیک به راحتی الکترون از دست داده و به صورت مثبت باردار می‌شود، ولی در سیلیکون دقیقاً عکس این موضوع اتفاق می‌افتد.

غلتک بالایی از نایلون پوشیده شده است و بار مثبت تسمه را دفع می‌کند و به صورت منفی باردار می‌شود. از آنجایی که غلتک بالایی به شانه بالایی و کره فلزی متصل است، بار مثبت الکتریکی در شانه و کلاهک فلزی واندوگراف القا می‌شود. زمانی که سطح کلاهک فلزی اشباع شد، با برخورد یک جسم خارجی به کره فلزی، تخلیه بار الکتریکی به صورت یک جرقه الکتریکی رخ می‌دهد.

اگر به طرز کار مولد واندوگراف علاقه‌مند شده‌اید می‌توانید آن را در خانه بسازید، ولی اگر ترجیح می‌دهید مدل‌های آماده آن را از بازار بخرید با دیدن قیمت‌ها در سایت آمازون ترجیح می‌دهید خودتان دست به کار شوید.