W amerykańskich muzeach nauki stoją metalowe kule wielkości piłki plażowej, które potrafią naelektryzować stojącego obok ochotnika tak mocno, że jego włosy unoszą się prosto w górę. To generatory Van de Graaffa — jedne z najstarszych i wciąż najbardziej widowiskowych maszyn elektrostatycznych świata. Miniaturową wersję tego samego mechanizmu, który w latach 30. XX wieku pozwolił po raz pierwszy rozpędzać cząstki subatomowe do energii milionów elektronowoltów, zbudujesz w domu z dwóch puszek, gumki recepturki i silniczka z zepsutej zabawki.

Co nam będzie potrzebne?

  • 2 puszki aluminiowe (jedna stanie się „kopułą", druga dolną rolką napędową)
  • gruba gumka recepturka lub wycięty pasek z balonu — jako pasek transmisyjny
  • plastikowa rurka PVC lub pusta butelka PET jako pionowy słup i oś obrotu
  • mały silniczek elektryczny na baterie (np. z zepsutej zabawki)
  • uchwyt na 2 baterie AA
  • folia aluminiowa (do wykonania dwóch „grzebieni" zbierających ładunek)
  • taśma izolacyjna i klej termotopliwy
  • kawałek drutu miedzianego do uziemienia dolnego grzebienia
  • suche, ciepłe pomieszczenie o niskiej wilgotności powietrza

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Budowa osi i dolnej rolki. Przetnij dolną puszkę tak, by powstał krótki, sztywny walec, i osadź go obrotowo na dolnym końcu rurki PVC — to twoja dolna rolka napędowa. Górną, całą puszkę zamocuj nieruchomo na szczycie tej samej rurki dnem do dołu; to ona pełni rolę kopuły zbierającej ładunek, więc musi być odizolowana od reszty konstrukcji, najlepiej przez plastikową podstawkę.

Krok 2: Montaż paska transmisyjnego. Rozetnij gumkę recepturkę lub pasek balonu tak, by utworzyć pętlę biegnącą od dolnej rolki aż do wnętrza górnej puszki, opinając po drodze niewielką drugą rolkę umieszczoną tuż pod kopułą. Pasek musi być naprężony na tyle, by się nie ślizgał, ale nie tak mocno, żeby hamował obrót — to najbardziej czasochłonny etap całej budowy.

Krok 3: Grzebienie zbierające ładunek. Wytnij z folii aluminiowej dwa wąskie „grzebienie" z drobnymi ząbkami i umieść je bardzo blisko paska — bez dotykania go — jeden tuż przy dolnej rolce, drugi tuż przy górnej. Dolny grzebień połącz drutem z ziemią (np. kaloryferem lub metalową rurą), a górny przymocuj bezpośrednio do wewnętrznej ściany puszki-kopuły, dokładnie tak jak w domowym elektroskopie z folii aluminiowej , gdzie liczy się każdy milimetr odstępu między metalem a ładunkiem.

Krok 4: Podłączenie napędu. Zamocuj silniczek tak, by jego wałek obracał dolną rolkę bezpośrednio lub przez mały pasek klinowy, a następnie podłącz go do uchwytu z bateriami. Sprawdź, czy pasek transmisyjny przesuwa się płynnie i w jedną stronę — kierunek obrotu decyduje o tym, na którym grzebieniu gromadzi się nadmiar elektronów.

Krok 5: Test działania. Włącz silniczek i odczekaj kilkadziesiąt sekund, po czym zbliż do kopuły drobne skrawki papieru lub bibułki — powinny zostać przyciągnięte z odległości kilku centymetrów. W bardzo suchy dzień delikatnie dotknij kopuły opuszkiem palca i posłuchaj cichego trzasku wyładowania — to znak, że maszyna naprawdę zgromadziła ładunek.

Wyjaśnienie naukowe

Sercem generatora Van de Graaffa jest efekt tryboelektryczny — ten sam, który elektryzuje balon potarty o wełnę podczas elektryzowania balonem . Gdy gumowy pasek ociera się o dolną rolkę, elektrony przechodzą z jednego materiału na drugi, ładując pasek elektrycznie na całej jego długości. Zamiast jednak od razu się rozładować, naładowany pasek wędruje w górę, unosząc swój ładunek dosłownie w formie fizycznego transportu — to kluczowa różnica względem zwykłego elektryzowania przez pocieranie, gdzie ładunek zostaje tam, gdzie powstał.

Przy górnej rolce ładunek zostaje „zeskrobany" z paska przez metalowy grzebień działający na zasadzie wyładowania ostrzowego — ostre ząbki foli mocno skupiają pole elektryczne, co ułatwia elektronom przeskok na metal nawet bez bezpośredniego kontaktu. Zebrany ładunek trafia natychmiast na wewnętrzną, a potem zewnętrzną powierzchnię metalowej kopuły. Ponieważ ładunek elektryczny na przewodniku zawsze rozkłada się na jego zewnętrznej powierzchni, wnętrze kopuły pozostaje neutralne i może bezpiecznie przyjmować kolejne porcje ładunku przywożone przez pasek — proces powtarza się w kółko, a napięcie na kopule rośnie, dopóki tempo „ucieczki" ładunku przez powietrze czy wilgoć nie zrówna się z tempem jego dostarczania.

Prawdziwy generator Van de Graaffa zbudował w 1929 roku amerykański fizyk Robert J. Van de Graaff na Uniwersytecie Princeton, szukając prostszego sposobu na uzyskanie bardzo wysokich napięć niż skomplikowane transformatory tamtej epoki. Już kilka lat później jego urządzenia — powiększone do rozmiarów całej hali i osiągające kilka milionów woltów — stały się pierwszymi praktycznymi akceleratorami cząstek, używanymi do rozbijania jąder atomowych na długo przed budową wielkich synchrotronów. Współczesne potomkowie tej maszyny, tzw. akceleratory tandemowe Van de Graaffa, wciąż pracują w laboratoriach fizyki jądrowej i medycynie (produkcja izotopów do terapii nowotworowej), a mniejsze, oszklone modele demonstracyjne są standardowym wyposażeniem każdego centrum nauki na świecie.

Warianty

Wirnik elektrostatyczny. Zamocuj na szczycie kopuły lekki wiatraczek wycięty z folii aluminiowej, osadzony swobodnie na igle. Gromadzący się ładunek ucieka z ostrych końców łopatek w formie wyładowania koronowego, a odrzut jonizowanego powietrza wprawia wiatraczek w powolny obrót — miniaturowa wersja efektu, który w przyrodzie odpowiada za widmo świętego Elma.

Test szeregu tryboelektrycznego. Zbuduj drugi, identyczny pasek transmisyjny z innego materiału (lateks zamiast gumy, folia zamiast lateksu) i porównaj, przy którym z nich skrawki papieru są przyciągane z większej odległości. Poskładasz w ten sposób własną, praktyczną wersję tabeli tryboelektrycznej, pokazującą, które materiały łatwiej oddają elektrony.

Wyładowanie między dwiema kopułami. Zbuduj dwa niezależne generatory i ustaw je kopułami naprzeciw siebie w niewielkiej odległości, ładując je tak, by gromadziły przeciwne ładunki. Powolne zbliżanie kopuł pozwala zaobserwować rosnące przyciąganie, a przy odpowiednio małej odległości — miniaturowe iskrowe wyładowanie elektryczne między nimi.

Często zadawane pytania

Dlaczego domowy generator nie elektryzuje włosów tak mocno jak muzealny? Napięcie, jakie osiąga maszyna, zależy przede wszystkim od wielkości kopuły i jakości izolacji — im większa i gładsza kula, tym więcej ładunku pomieści, zanim zacznie się on rozpraszać w powietrze. Muzealne generatory mają kopuły wielkości piłki plażowej, precyzyjnie wypolerowaną powierzchnię bez ostrych krawędzi i pracują w kontrolowanej, suchej atmosferze, podczas gdy domowa puszka ma szwy, wgniecenia i niedoskonałą izolację osi. Mimo to fizyka działania jest identyczna, a przy naprawdę suchym powietrzu i starannym wykonaniu domowa wersja potrafi przyciągać skrawki papieru i wywoływać wyczuwalne trzaski przy dotyku.

Czy dotykanie naładowanej kopuły jest niebezpieczne? Nie w normalnych warunkach — generator Van de Graaffa osiąga wysokie napięcie, ale przy bardzo niskim natężeniu prądu i znikomej energii całkowitej, więc porażenie ogranicza się do nieszkodliwego mrowienia lub trzasku, podobnego do tego po przejściu po dywanie w suchy dzień. To zupełne przeciwieństwo obwodu zasilanego z baterii z cytryn lub ziemniaków , gdzie napięcie jest znikome (ułamki wolta), za to prąd może realnie płynąć przez długi czas — w elektrostatyce liczy się właśnie napięcie, a nie prąd, i to ono decyduje o widowiskowości efektów takich jak unoszące się włosy. Wyjątkiem są osoby z rozrusznikiem serca lub inną wszczepioną elektroniką medyczną, którym zaleca się unikanie bezpośredniego kontaktu z każdym źródłem silnego pola elektrostatycznego, mimo że mowa tu o „milionach woltów" jedynie w opisach dużych muzealnych eksponatów.

Dlaczego wilgotność powietrza tak bardzo przeszkadza w działaniu generatora? Cząsteczki wody zawieszone w wilgotnym powietrzu są znacznie lepszym przewodnikiem elektryczności niż suche powietrze, więc gromadzony na kopule ładunek „ucieka" do otoczenia niemal równie szybko, jak jest dostarczany przez pasek. To dokładnie ten sam problem, który utrudnia każdy eksperyment oparty na elektryczności statycznej, w tym testy z elektryzowaniem balonów — w wilgotne dni efekty są znacznie słabsze, niezależnie jak starannie zbudowana jest maszyna. Najlepsze rezultaty osiągniesz zimą, gdy ogrzewane w pomieszczeniach powietrze ma bardzo niską wilgotność względną, albo latem w klimatyzowanym, suchym pokoju.