یکی از ازمایش های دوست داشتنی ازمایش واندوگراف است مولد واندوگراف در سال ۱۹۳۷ توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت جمیسون واندوگراف اختراع شد این دستگاه قادر است که ولتاژهای تا ۲۰ میلیون ولت ایجاد نماید
الف) تاریخچه و طرز کار مولد واندوگراف
قبل از بحث درباره ساخت مولد واندوگراف لازم است بحث مختصری راجع به تاریخچه ساخت آن و همچنین طرز عملکرد این دستگاه داشته باشیم مولد واندوگراف در سال ۱۹۳۷ توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت جمیسون واندوگراف اختراع شد این دستگاه قادر است که ولتاژهای تا ۲۰ میلیون ولت ایجاد نماید و از آن برای انرژی دادن و شتاب دادن به ذرات اتمی که احتیاج به سرعت بالا برای نفوذ در هسته اتمها دارند استفاده میشود این برخوردها در اتمها، پایه شناخت و اساس فیزیک هستهای و ذرات بنیادی میباشد.
دو نوع مولد واندوگراف وجود دارد که به شرح نوع معمول آن که از تسمه و
غلتک در آن استفاده میشود میپردازیم این نوع واندوگراف از یک موتور- دو
غلتک ، یک تسمه و دو شانه و یک گوی فلزی آلومینیمی یا نظیر آن ساخته شده
است.
هنگامیکه موتور روشن میشود غلتک پایینی ( شارژ ) شروع به چرخاندن تسمه
میکند. نظر به اینکه تسمه از لاستیک و کائوچو و غلتک پایینی پوشیده از
سلسیوم است غلتک پایینی شروع به تولید بار منفی کرده و غلتک بالایی بار
مثبت تولید میکند با رجوع به لیست Triboelectinc ( الکتریسیته مالشی )
خواهید فهمید که علت عدم تعادل بارها چیست در این لیست سلسیوم پایینتر از
لاستیک است بدین معنا که قدرت جذب الکترون آن فوقالعاده زیاد است بنابراین
غلتک پایینی الکترون را از تسمهای که الکترونها از آن عبور کردهاند جذب
میکند این بار منفی قوی بر روی غلتک دو کار را انجام میدهد.
۱- الکترونهایی که در نزدیکی نوک شانهها هستند را دفع میکند و شانهها بار مثبت پیدا میکنند.
۲- ذرات هوا را یونیزه کرده وقتی یک اتم از الکترون جدا شود حالت چهارم ماده یا پلاسما ایجاد میشود بنابراین اتمهای مثبت هوا و الکترون آزاد بین غلتک و شانه بوجود میآیند که الکترونهای آزاد توسط شانههایی که قبلاً باردار مثبت شدهاند جذب میشوند و اتمهای مثبت جذب غلتک ، که دارای بار منفی است میشود.
اتمهای مثبت ذرات هوا سعی میکنند که به سمت غلتک با بار منفی بروند ولی تسمه راه آنها تا غلتک قرار دارد بنابراین جذب تسمه میشوند تسمه با بار مثبت به طرف غلتک بالایی حرکت میکند که معمولاً از جنسی است که الکترون از دست میدهد. در نتیجه بارهای مثبت تسمه از یک طرف توسط غلتک بالایی خنثی میشود و از طرف دیگر شانههای بالا که به کلاهک متصل هستند مقداری از بار تسمه را خنثی میکنند و حتی مقداری بار منفی نیز به تسمه میدهند، در نتیجه کلاهک، دارای بار منفی میشود و تسمه نیز هنگام پایین آمدن مقداری بار منفی خواهد داشت.
چه اصولی را باید رعایت کنیم تا بار مولد واندوگراف شبیه باشد.
۱- شانه ها ( جاروبکها ) هنگام چرخش دستگاه با سطح بیرونی تسمه مالش خیلی جرئی داشته باشند.
۲- تسمه علاوه بر علتش روی غلتکها اندکی لغزش هم داشته باشد ( تسمه نه زیاد شل و نه زیاد محکم باشد).
۳- تسمه و غلتکها باید کاملاً تمیز باشند. ( میتوان با الکل آنها را پاک کرد ).
۴- پهنای تسمه با پهنای غلتک یکسان باشد.
۵- تسمه نباید سیاه رنگ باشد زیرا امکان دارد دارای کربن باشد و اجسام با ترکیبهای کربنی میتوانند رسانا باشند.
۶- سرعت چرخش موتور حدالامکان زیادتر باشد.
۷- در روزهای گرم و مکانهای با رطوبت زیاد نتیجه کار دستگاه ( مثل سایر آزمایشهای الکتریسیته ساکن مناسب نمیتواند باشد.)
نقش هر یک از اجزاء واندوگراف در ایجاد الکتریسیته ساکن روی واندوگراف
۱- نقش کلاهک :
اگر کلاهک کروی واندوگراف را بر دارید به کمک یک الکتروسکوپ ملاحظه میکنید که مقدار بار الکتریکی تیغه بالایی واندوگراف بشدت کاهش مییابد تفاوت کلاهک کروی و تیغه فوقانی واندوگراف در ظرفیت الکتریکی آنهاست میدانیم هر جسم رسانا دارای یک ظرفیت الکتریکی است اما ظرفیت الکتریکی یک کره رسانا از رابطه بدست میآید این ظرفیت بسیار بیشتر از ظرفیت الکتریکی قطعات فلزی کوچکی است که در زیر کلاهک وجود دارد وقتی کلاهک را بر میداریم بار الکتریکی یکی اضافی از طریق یونیزاسیون در هوا پخش میشود.
۲- نقش جاروبکها :
هنگام کار واندوگراف میتوان جاروبکها را حذف کرد در این حالت مقدار بار الکتریکی روی کلاهک کاهش مییابد اما به صفر نمیرسد این آزمایش نشان میدهد که کلاهک علاوه بر اینکه از طریق رسانش فلزی جاروبکها بارداری میشوند، از طریق یونیراسیون هوا نیز بار الکتریکی دریافت میکند اینکه هواهی اطراف تسمهها و غلتکها یونیزه میشود براحتی قابل آزمایش است کافی است مدت کوتاهی کلاهک یک الکتروسکوپ را به تسمههای واندوگراف در حال کار نزدیک کنید و سپس الکتروسکوپ را دور کنید خواهید دید بدون تماس الکتروسکوپ باردار شده است این مقدار بار از طریق یونیزاسیون هوا به الکتروسکوپ انتقال یافته است پس هوای اطراف تسمهها و غلتکها بشدت یونیزه میشود.
۳- نقش تسمه :
اگر حرکت تسمه بر روی غلتکها فقط غلتشی باشد امکان باردار شدن بسیار کاهش مییابد فرض بر این است که تسمه علاوه بر غلتکش، لغزش نیز دارد و این لغزش سبب تولید بار الکتریکی بر ر.وی تسمهها میشود و در قسمتی که با غلتکها در تماس است علامتی با جوهر یا ماژیک بکشیم واندوگراف را بکار اندازیم مشاهده میشود که ماژیک در جهت چرخش بر روی تسمه پخش شده است و این نشانگر لغزیدن تسمه بر روی غلتکها است و در اصل همین مالش میان تسمه و غلتکها سبب تولید بار الکتریکی میشود اگر تسمه دستگاه شل باشد تعداد رویها کاهش مییابد در این دو حالت مقدار باردهی واندوگراف کم میشود بهتر است به روش تجربی این موضوع کنترل شد.
۴- نقش غلتکها :
مالش میان تسمه و غلتکها همچنان که در قسمت قبل ذکر شد زمینه ساز تولید بار الکتریکی است جنس غلتک پایینی یا بالایی نقش تعیین شده در نوع بار الکتریکی کلاهک دارد دو مسئله زیر در مورد غلتکها وجود دارد.
الف) اولین نکته قابل توجه این است که اگر در اثر مالش بطور مداوم غلتک پلی اتیلن بار منفی یا مثبت دریافت کند سرانجام پس از چند دقیقه بار سرسامآوری پیدا میکند و این مقدار بار سرسامآور قادر است جرقههایی با طول بسیار بلند ایجاد کند.
اما در عمل طول جرقههای یک واندوگراف معمولی در حدود یک سانتیمتر است این مقدار ثبات نسبی دارد.
علت آن است که بار کلاهک از طریق یونیزاسیون به طور مرتب به هوا انتقال مییابد.
ب) نکته دوم این است که اگر بار الکتریکی در محل مالش غلتک و سطح داخلی تسمه تولید میشود چگونه با توجه به عایق بودن تسمه بار الکتریکی به سطح خارجی تسمه و سپس به زمین یا کلاهک منتقل میشود پاسخ آن را باید در نسبی بودن نارسانایی تسمه جستجو کرد نارسانایی یک جسم نسبی است معمولاً یک لایه نازک مانند هوا در برابر برق ۲۲۰ولت نارسانا است ولی در مقابل برق با ولتاژ ۲۰۰۰۰ولت دیگر به اندازه قبل نارسانا نیست به همین علت فاصله سیمهای برق با ولتاژ بالا را زیاد در نظر میگیرند اختلاف پتانسیل تولید شده در واندوگراف بسیار زیاد است و این اختلاف پتانسیل زیاد الکترون را قادر میسازد تا از سه کوانتمی تسمه گذشته و به سطح خارجی تسمه برسد لذا بارهای اضافی غلتکها از طریق یونیزاسیون هوا و عبور کوانتمی از سه تسمه به زمین و کلاهک میرسد.
