Van de Graaffův generátor

Fyzikální zákony našeho světa z něj dělají tak trochu lenocha, tím je myšleno že vše má tendence se dostávat do stavu s nejněžiší energií kulička v misce si „najde“ nejnižší místo v misce, Horký čaj má víc tepelné energie než okolí. Proto se jeho teplo samo „rozlije“ do vzduchu, dokud se teplota nevyrovná. Když se dotknou dva materiály, také dochjází k takovému to utřpávání se do stavu s nižší energií a tomu říkáme triboelektrický jev

Triboelektrický jev

je proces, kdy při dotyku dvou materiálů dochází k přeskupení elektronů. vznikne mezi nimi elektrická vazba, to znamená, že molekuly sdílí svoje elektrony. Pokud máme vhodné materiály například sklo a PVC, elektrony se přeskupí z elektricky neutrálního skla do PVC. Při oddělení se elektrony nestihnou vrátit, což vede ke vzniku elektrického náboje. Materiály jsou podle tendence nabíjet se kladně nebo záporně řadíme do triboelektrické řady – čím výše je materiál v řadě, tím více se nabíjí kladně. Známým příkladem je kombinace ebonitové tyče a liščího ohonu nebo balónku a vlasů. V řadě máme i materiály, které stojí na samém prapočátku vyprávění o elektrotechnice, tedy Jantar s hedvábím, ty se nemusejí zdát v řadě moc daleko od sebe, ale pořád to na vytvoření elektrického náboje stačí.

Van de Graaffův generátor

Van de Graaffův generátor je zařízení, které vytváří vysoké elektrické napětí pomocí triboelektrického jevu. Jako třecí dvojice se často používá kombinace nylonu a PVC. Nylon má tendenci ztrácet elektrony (nabíjí se kladně), zatímco PVC je ochotně přijímá.

Generátor je obvykle složen ze dvou kladek: spodní kladka je poháněná motorem a uvádí pás do pohybu, horní kladka je pevná a vyrobena z PVC, aby se o ni pás třel a nabíjel. U horní kladky je nad povrchem pásu umístěn kovový sběrací kartáč, který je elektricky propojen s dutou kovovou kopulí. Pás se třením o PVC kladku nabije kladně, kartáč tento kladný náboj přenáší do kopule. Elektrony jsou z kopule odváděny pryč, takže kopule se postupně nabíjí kladným nábojem.

Aby měl generátor neustále zdroj elektronů, je u spodní kladky umístěn další sběrací kartáč, který je připojen k uzemnění. Tím se zajišťuje, že elektrony z pásu mohou být bezpečně odváděny do země a celý cyklus probíhá nepřetržitě.

Intenzita elektrického pole

Abychom maximalizovali množství náboje na kopuli, je důležité, aby konstrukce měla co nejméně ostrých hran.
Na ostrých hranách totiž vzniká lokálně velmi intenzivní elektrické pole, které umožňuje snadnější únik náboje do okolí (například ionizací vzduchu). Proto mají Van de Graaffovy generátory kopuli co nejkulatější a hladkou.

Jak odhadnout intenzitu elektrického pole a napětí?
Není to složité. Vzduch jako izolant udrží elektrické pole jen do určité mezní hodnoty — zhruba 1 kV na milimetr (tedy 1 MV/m). Pokud například mezi kouli a okolí přeskočí jiskra o délce 1 cm, znamená to, že jsme dosáhli přibližně 10 000 V.
To přímo souvisí s intenzitou elektrického pole, která udává, jak silně je prostor kolem náboje elektricky „napjatý“. Jednotkou intenzity je volt na metr.

$$
E = \frac{U}{l} \; [V/m]
$$