دستگاه واندوگراف چیست و از کاربرد آن چه می دانید؟

واندوگراف دستگاهی است که برای تولید مقدار زیادی الکتریسیته ساکن مورد استفاده قرار می گیرد بنابراین در صورت تماس جرقه هایی تولید می کند که در یک اتاق تاریک مانند رعد و برق دیده می شود. الکتریسیته ساکن در اجسام به دلیل عدم تعادل بارهای الکتریکی در داخل یا روی سطح یک ماده به وجود می آید و معمولا با جرقه های کوچکی که همه شما تاکنون با آن مواجه شده اید تخلیه می شود. البته نوع شدیدتر این تخلیه های الکتریکی رعد و برق های گاه و بیگاه ابرها در آسمان است که یک پدیده کاملا طبیعی است.

دستگاه واندوگراف نیز با استفاده از الکتریسیته ساکن کار می کند که همه ما با آزمایش درس پایه یازدهم با آن آشنا شده ایم و شاید برخی دانش آموزان هنوزهم فیلم آزمایش و گزارش کار واندوگراف را داشته باشند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود پس لطفا ما را همراهی کنید.

ساخت واندوگراف

مولد واندوگراف یک دستگاه  الکترواستاتیک است که جریان ثابت بسیار کوچک تری  از میکروآمپر تولید می کند. بر همین اساس جرقه الکتریکی که ما با این دستگاه تجربه می‌ کنیم آسیب زا نیست اما  ممکن است دردناک باشد.

برای ساخت مولد واندوگراف نیاز به یک کش پهن لاستیکی ، سیم ، میخ ، یک آرمیچر کوچک مثل، موتور بادبزن ، یک تکه لوله PVC ، یک سیخ چوبی ، کیسه پلاستیکی ، نوار چسب ، قوطی نوشابه فلزی ، بطری نوشابه پلاستیکی ، دوعدد باتری ۳ ولتی و یک ظرف ماست پلاستیکی کوچک دارید.

پس از آماده کردن این وسایل وسط ظرف ماست را سوراخ کرده و آرمیچر را درست زیر سوراخ به ظرف بچسبانید. حالا  میخ را داغ کنید و در دیواره ظرف دو سوراخ برای عبور سیم‌ های آرمیچر ایجاد کنید و سیمها را از آن رد کنید.

اکنون یک سوراخ دیگر درست عمود بر محور موتور آرمیچر ايجاد کنید و سیم آزادی را از آن عبور داده و به زمین وصل کنید. الان باید لوله  PVC که تهیه کرده اید را روی ظرف بگذارید. بالای لوله یک تکه از سیخ چوبی را قرار دهید و دور آنرا با نوار چسب بپیچید تا کلفت شود. حالا کش را دور سیخ انداخته و سر دیگر آنرا  دور به محور آرمیچر بیندازید.

سپس سر و ته بطری پلاستیکی را ببرید طوریکه لوله PVC  داخل آن برود و قوطی نوشابه را روی سر بطری قرار دهید. انتهای بطری نزدیک به قوطی را سوراخ کنید و سیمی که سر آنرا لخت کرده اید را عبور داده و آن را به قوطی وصل کنید و با چسب محکم کنید. سپس سیم‌ هایی که از ظرف ماست بیرون ‌آمده را به باتری‌ ها وصل کنید حالا همه چیز برای آزمایش شما و واندوگراف آماده است.

طرز کار واندوگراف

واندوگراف بر اساس انتقال بار الکتریکی از طریق مالش عمل می کند. لازم به ذکر است که طی مالش دو ماده بهم یکی الکترون دهنده است که بار مثبت خواهد داشت و دیگری گیرنده الکترون است که حامل بار منفی خواهد بود.

در واندوگراف روکش غلتک دارای بار مثبت و تسمه لاستیکی بار منفی دارد بنابراین در حین چرخش غلتک پایینی سطح تسمه با سطح غلتک تماس پیدا کرده و بار یا الکتریسیته ساکن روی آنها ذخیره می شود. بار الکتریکی موجود بر روی تسمه در اطراف خود میدانی ایجاد می کند که باعث قطبیده شدن اتمهای سمت دیگر تسمه می شود طوریکه سمت منفی آنها سمت بیرون قرار می گیرند و در برخورد مولکولهای هوا آنها را یونیزه کرده و باعث منفی شدن بار آنها می شود. سطح دیگر تسمه بار مثبت بدست می آورد چون به راحتی الکترون از دست می دهد.

بنابراین حین مالش تسمه با غلتک بالایی تمام الکترون های سطح داخلی تسمه به غلتک منتقل می شوند.اما بارهای مثبت سطح بیرونی تسمه به وسیله شانه به کلاهک فلزی واندوگراف منتقل می شود.  بنابراین تسمه بعد از اینکه از غلتک بالایی عبور می کند هیچ باری ندارد. این روند در ادامه باعث می شود که سطح کلاهک فلزی به حالت اشباع برسد. به کمک این دستگاه می توان اختلاف پتانسیل های خیلی زیادی را جهت کارهای آزمایشگاهی ،علمی و تحقیقاتی تولید کرد. آزمایش با واندوگراف یک تجربه خاص از تولید الکتریسیته ساکن به صورت تجربی است که همیشه در خاطرتان خواهد ماند.

کاربرد واندوگراف

ژنراتور Van de Graaff یک ژنراتور الکترواستاتیک است که از یک تسمه متحرک برای جمع آوری بار روی یک کره فلزی توخالی از طریق کوانتیزاسیون بار استفاده می کند. کره فلزی در بالای ستونی قرار دارد که ماهیت عایق دارد. ژنراتور واندوگراف نوعی شتاب دهنده ذرات است که از الکتریسیته ساکن برای شتاب بخشیدن به ذرات باردار استفاده می کند. با انتقال بار از یک تسمه متحرک به یک کره فلزی توخالی کار می کند. بار روی کره جمع می شود تا زمانی که به ولتاژ بسیار بالایی برسد. ژنراتورهای ون دو گراف دارای چندین مزیت هستند، از جمله:

• ساخت و کارکرد آنها نسبتاً ساده است.
• آنها می توانند ولتاژهای بسیار بالایی تولید کنند.
• آنها نسبتاً ارزان هستند.

ژنراتورهای واندوگراف همچنین دارای معایبی هستند به عنوان مثال در صورت عدم استفاده صحیح خطرناک هستند،  آنها خروجی انرژی محدودی دارند و  به اندازه سایر انواع شتاب دهنده ذرات کارآمد نیستند. اصل عملکرد یک ژنراتور واندوگراف بر دو پدیده استوار است. هر باری که به یک هادی توخالی داده می شود به طور کامل فقط در سطح بیرونی آن وجود دارد. و به طور یکنواخت توزیع می شود. تخلیه الکتریکی به هوا از یک هادی باردار از طریق نوک تیز آن صورت می گیرد.واندوگراف کاربردهای زیادی در آزمایش هایی مانند موارد زیر دارد:

• منبع ولتاژ بسیار بالا برای شتاب دادن به ذرات.
• برای تولید پرتوهای پرانرژی اشعه ایکس استفاده می شود.
• همچنین برای اهداف سرگرمی استفاده می شود.
• برای استریل کردن مواد غذایی با شتاب دادن به الکترون ها تحت ولتاژ بالا استفاده می شود.