Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6). Chưa được người kiểm tra. Bản gốc →
37
CÁCH
CHẾ TẠO
MÁY PHÁT
TĨNH ĐIỆN
S. A. Khoroshavin
Nếu đưa một quả cầu nhỏ tích điện có cán làm bằng vật liệu cách điện vào bên trong một quả cầu kim loại rỗng và chạm quả cầu nhỏ vào mặt trong của quả cầu lớn, thì nó sẽ truyền cho quả cầu lớn điện tích của mình. Lặp lại thao tác này nhiều lần, có thể truyền cho quả cầu lớn một điện tích đủ lớn.
Tất nhiên, sẽ cần rất nhiều thời gian và công sức để tích điện cho quả cầu đến điện thế cao bằng cách như vậy. Nhưng có thể làm đơn giản hơn — chế tạo một bộ biến đổi điện tích, chẳng hạn dưới dạng một dải băng được dán thành vòng. Dải băng chuyển động. Ở một chỗ nó nhận điện tích, còn ở chỗ khác — nó truyền điện tích cho quả cầu.
Một máy phát tĩnh điện như vậy đã được Van de Graaff chế tạo vào năm 1931. Nó được cấu tạo như sau (hình 1). Giữa hai con lăn 1 và 2 căng một dải băng 3 được dán thành vòng. Nó chuyển động và được tích điện từ một chiếc lược 4. Các điện tích cùng với dải băng chuyển động lên trên và đi vào bên trong quả cầu kim loại lớn 5. Ở đây dải băng tiếp xúc với chiếc lược 6. Các điện tích luôn phân bố trên bề mặt của vật dẫn điện. Vì vậy các điện tích từ dải băng truyền qua chiếc lược lên bề mặt quả cầu. Dải băng chuyển động liên tục, và vì vậy số lượng điện tích trên bề mặt điện cực hình cầu được khôi phục.
38
Năm 1936, tại Viện Vật lý — Kỹ thuật thuộc Viện Hàn lâm Khoa học CHXHCN Ukraina ở Kharkov, một máy phát tĩnh điện như vậy đã được chế tạo. Trên một cột đỡ cao 10 m đặt một điện cực hình cầu có đường kính 10 m. Mười bộ truyền tải bằng băng đã tích điện cho điện cực hình cầu đến điện thế 4 triệu vôn. Điện trường do máy phát này tạo ra được sử dụng để gia tốc các hạt tích điện, chúng được dùng để bắn phá các hạt nhân nguyên tử.
Bạn có thể tự chế tạo một mô hình hoạt động của máy phát tĩnh điện điện thế cao. Ví dụ, một mô hình như chúng tôi đã chế tạo trong nhóm vật lý ở trường của mình (xem ảnh ở trang 37). Mô hình này cho phép thu được điện thế đến 80 nghìn vôn, và được cấu tạo như sau.
Trên đế 1 được gắn khung 2 (hình 2). Giá đỡ dùng để gắn cột đỡ 3 và con lăn dưới 4. Cột đỡ được cuộn từ tấm thủy tinh hữu cơ. Ở mô hình của chúng tôi, nó có đường kính ngoài 50 mm và chiều cao 370 mm. Trong giá đỡ 2, trên trục quay con lăn 4 có đường kính 17 mm và chiều rộng 26 mm. Để dải băng không trượt khỏi con lăn, nó có các gờ thấp. Con lăn trên 5 cũng được chế tạo tương tự. Khoảng cách giữa các con lăn là 320 mm. Trên các con lăn đặt một vòng làm từ dải băng capron 6 rộng 23 mm. Để nối các đầu của dải băng capron, cần gấp chúng lại với nhau và hàn bằng mỏ hàn đã nung nóng.
Trục của con lăn trên có thể gắn trực tiếp vào cột đỡ. Nhưng tốt hơn là nên dự trù một cơ cấu 7 cho phép di chuyển trục của con lăn trên dọc theo cột, nhờ đó đạt được độ căng cần thiết của dải băng.
Trong mô hình của chúng tôi, điện tích trên dải băng xuất hiện do sự cọ xát của dải băng capron với tấm polystyrol 8. Tấm này được ép vào dải băng bằng một lò xo phẳng. Ở phần trên của cột gắn một chiếc lược bằng đồng thau 9, tiếp xúc với dải băng và nối với bộ góp hình cầu 10. Nó có đường kính 100 mm. Bộ góp hình cầu chúng tôi lấy từ bộ dụng cụ học sinh về tĩnh điện. Nếu đặt quả cầu lên cột (nó có lỗ đường kính 50 mm), thì con lăn trên và chiếc lược
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của máy phát tĩnh điện.
39
sơ đồ nguyên lý của máy phát tĩnh điện.
39
khi 9 sẽ nằm bên trong quả cầu. Điện cực dạng cầu được nối với chổi bằng bu lông và được cố định bằng viên bi 11, trong đó có một lỗ ren.
Con lăn dưới, và do đó cả băng, có thể quay bằng tay. Nhưng chúng tôi sử dụng một động cơ điện không đồng bộ một chiều từ máy phát nhạc 12 và nối nó với con lăn dưới bằng khớp nối 13.
Bật động cơ điện, băng chạy trên các con lăn. Trên đường đi, do ma sát với chổi 8, nó bị điện hóa và mang các điện tích đến vật dẫn hình cầu. Băng quay càng nhanh thì thế của quả cầu càng cao. Nhưng ở đây có giới hạn. Vấn đề là khi cường độ điện trường gần quả cầu cao, môi trường trở nên dẫn điện, và các điện tích bắt đầu chảy khỏi quả cầu. Thế của quả cầu ngừng tăng.
Có thể tính xem chúng ta có thể nạp điện cho quả cầu đến thế nào. Cường độ điện trường trên bề mặt quả cầu được tính theo công thức , trong đó — thế của quả cầu, còn — bán kính của nó. Nếu cm, còn đối với sự phóng điện ở áp suất khí quyển bằng 30 кВ/см, thì có nghĩa là quả cầu có thể được nạp đến 150 nghìn vôn.
Tính toán này chỉ đúng đối với một quả cầu nhẵn lý tưởng, ở rất xa tất cả các vật dẫn điện khác. Vì vậy điện áp do máy phát của chúng ta tạo ra sẽ thấp hơn giá trị tính toán.
Nếu bạn chế tạo được một quả cầu có kích thước lớn hơn, thì bạn cũng có thể nạp cho nó đến thế cao hơn. Chỉ cần nhớ rằng quả cầu phải rất nhẵn và đều.
Bây giờ hãy tiến hành một số thí nghiệm với mô hình.
Trước hết, hãy xác định dấu của điện tích trên quả cầu. Cách làm điều này đã rõ. Chỉ cần nhớ rằng thanh êbônít cọ xát với lông thú sẽ nhiễm điện âm, còn thanh thủy tinh cọ xát với lụa — nhiễm điện dương.
Hãy xác định băng phải thực hiện bao nhiêu vòng quay đầy đủ để điện cực cao áp được nạp điện hoàn toàn. Để làm điều này, hãy đánh dấu rõ ràng trên băng và đếm xem băng thực hiện bao nhiêu vòng quay đầy đủ cho đến khi thế của điện cực tăng đến giá trị cực đại. Hãy chú ý rằng «năng suất của máy phát» phụ thuộc đáng kể vào vị trí của chổi trên.
Nếu đặt chổi sao cho nó nằm gần chỗ băng đi vào quả cầu, thì các điện tích từ băng sẽ không được lấy đi hoàn toàn, và sẽ phải chờ lâu cho đến khi điện cực cao áp được nạp điện. Thay đổi vị trí của chổi trên, hãy tìm vị trí mà tại đó điện cực cao áp sẽ được nạp đầy với số vòng quay của băng nhỏ nhất.
Trong mô hình của chúng tôi sử dụng băng capron. Còn Van de Graaff dùng băng lụa. Trong máy phát tĩnh điện của Viện Kharkov, băng nạp điện được chế tạo từ vải cao su hóa. Hãy thử chế tạo băng nạp điện từ vật liệu khác.
Ở đây chổi nạp điện của chúng tôi được chế tạo từ một tấm polystyrol, có thể làm nó từ thép không gỉ và từ đồng. Nếu bạn dùng chổi kim loại, hãy nối đất nó. Máy phát bắt đầu hoạt động tốt hơn. Vì sao?
Đừng thất vọng nếu lúc đầu bạn gặp thất bại. Hãy nhớ rằng ngay cả những máy phát tĩnh điện tốt nhất hiện có cũng chỉ cho phép thu được điện áp bằng một phần ba giá trị tính toán. Tất cả các nguyên nhân của điều này vẫn chưa được làm rõ. Vì vậy ở đây còn có điều để suy nghĩ và điều để phát minh. Vì vậy ở đây còn có điều để suy nghĩ và điều để phát minh.
Những ai muốn biết thêm về các máy phát tĩnh điện, chúng tôi khuyên đọc cuốn sách «Các máy gia tốc tĩnh điện của các hạt tích điện», Nhà xuất bản Gosatomizdat, năm 1963», Nhà xuất bản Gosatomizdat, năm 1963.