Van de Graaff Jeneratörü

Van de Graaff jeneratörü, 1929 yılında Amerikalı fizikçi Robert Jemison Van de Graaff tarafından yapılmış elektrostatik jeneratördür. Van de Graaff Jeneratörü, normalden yüz milyonlarca kat daha yüksek (20 milyon volt kadar yüksek) potansiyel farklılıklar yaratmak için kullanılan bir araçtır. Van de Graaff Jeneratörü günümüzde, 5 Megavoltluk bir potansiyel fark üretmektedir. Dönen (hareketli) bir kayış kullanarak yalıtkan bir sütunun üzerine tünemiş içi boş metal küre şeklindeki bir aygıtı şarj ederek çalışır. Böylece birkaç milyon voltluk son derece yüksek bir elektrik potansiyeli üretir. Hızlanan yüklü parçacıklar çok güçlü bir elektrik alanı oluşturur.

Van de Graaff jeneratörü, hareketli bir kayış kullanarak yalıtılmış bir kolonun üzerindeki içi boş bir metal küre üzerinde elektrik yükü biriktirerek son derece yüksek elektrik potansiyelleri üreten bir elektrostatik jeneratör olarak tanımlanabilir. Düşük akım seviyelerinde, çok yüksek gerilimlerde doğru akım (DC) elektriği üretir. Modern Van de Graaff jeneratörleri 5 megavolta kadar potansiyel farkına sahiptir. Model kabaca 100 kV üretebilir ve duyulabilir elektrik kıvılcımlarına neden olacak kadar güç depolayabilir. Daha büyük Van de Graaff makineleri bazı bilimsel müzelerde bulunmaktadır. Daha küçük olanlar, elektrostatiği açıklamak için zevk ve fizik eğitimi için yapılmıştır.

Van de Graaff jeneratörünün atom altı parçacıkları boşaltılmış bir tüpte son derece yüksek hızlara ulaşmasının potansiyeli bir sonucu olarak, başlangıçta fizik çalışması için bir parçacık hızlandırıcı olarak yapıldı. 1930’larda siklotronun icadından önce, en güçlü hızlandırıcı türüydü. Van de Graaff jeneratörleri, nükleer tıp ve araştırma alanlarında yoğun parçacık ve X-ışını radyasyonu üretmek için hızlandırıcılar olarak yaygın olarak kullanılır.

Ark ve korona deşarjı, bir açık hava Van de Graaff makinesi tarafından üretilen voltajı kabaca 5 MV ile sınırlar. Çağdaş endüstriyel makinelerin çoğu, kabaca 25 MV’ye kadar potansiyellere izin veren bir yalıtım gazıyla doldurulmuş basınçlı tanklara yerleştirilmiştir.

Van De Graaff Jeneratörü Nasıl Çalışır?

Statik elektrik, Van De Graaff jeneratörünün tek çalışma prensibidir. Hepimizin bildiği gibi, tüm maddeler protonlara, nötronlara ve elektronlara bölünmüş atomlardan oluşur.

Protonların pozitif yüklü, elektronların ise negatif yüklüdür. Hem proton hem de elektron miktarı aynı olduğunda madde nötr yüklüdür. Elektronların protonlara oranı, negatif yüklü malzemelerde pozitif yüklü maddelere göre daha fazladır. Elektronlar, farklı madde veya madde türleri arasında hareket edebilir.

İki malzemenin triboelektrik özelliklerine bağlı olarak, birbirine sürtündüklerinde bir elektron akışı meydana gelebilir. Elektron döken madde transfer nedeniyle pozitif yüklü hale gelirken, elektron alan madde negatif yüklü hale gelecektir. Statik elektrik bu şekilde üretilir.

Statik elektrik, Van de Graaff jeneratörü kullanılarak üretilir. Van de Graaff jeneratörünün sabit akımına, verilen yüke bağlı olarak değişken voltaj eşlik eder. Temel bir Van de Graaff jeneratörünün bileşenleri şunlardır:

  • Bir motor
  • Yalıtımlı kayış
  • İki Silindir
  • Çıkış terminali olarak metal küre
  • İki Fırça tertibatı

Motor, kayışı iki silindir etrafında sabit bir hızda döndürmelidir. Alt silindiri oluşturmak için kullanılan malzeme daha büyük bir triboelektrik özelliğe sahiptir. Elektronlar, motor kayışı etrafında döndürmeye başladığında yalıtılmış kayıştan alt silindire toplanır. Yük yavaş yavaş silindire daha fazla konsantre olur.

Bu yük konsantrasyonu olayı, fırça düzeneğinin uçlarındaki elektronları iter. Alt silindir ile fırça tertibatı arasındaki hava molekülleri de elektronları çekmeye başlar.

Bu fenomen, negatif yüklü silindirden kayış üzerinde taşınan pozitif yüklü hava molekülleri ile sonuçlanır. Sonuç olarak, kayış pozitif bir yük alır ve üst silindirler yönünde hareket eder.

Naylon gibi triboelektrik seride daha yüksek bir konumdan malzemenin yapısı veya kaplanması nedeniyle, üst silindir kayış üzerindeki pozitif yüke direnmeye çalışır. Üst fırça, bir uçta üst silindire ve kayışa ulaşır ve doğrudan çıkış düğümünün veya kürenin iç kısmına tutturulur.

Kayış üzerindeki pozitif yükler elektronları fırçanın içine çeker. Hava parçacıkları orada da çözülür ve serbest kalan elektronlar kayış yönünde hareket eder. Küre tüm yükü emer ve herhangi bir ekstra yük, küre veya terminal çıkışının dışına dağılır.

Bu basit elektrostatik hareket, Van De Graaff jeneratörünün sürekli olarak yüksek voltajlar üretmesini sağlar.

Van de Graaff Jeneratörünün Çalışma Prensibi

Van De Graaff jeneratörünün çalışma prensibi konusunu teorik olarak açıkladık. Şimdi bunu, formüllerle teknik boyutuyla açıklayalım. Büyük bir R-yarıçaplı küresel kabuk düşünün. Böyle bir kürenin içindeki elektrik alanı, üzerine Q büyüklüğünde bir yük uygulanırsa sıfıra eşit olacaktır. Bununla birlikte, kürenin ötesindeki elektrik alanı, kürenin merkezine uygulanan Q yükünden kaynaklanacaktır. Bu nedenle, içerideki potansiyel sabittir ve ötesindeki potansiyel bir nokta yükünkidir, yani R yarıçapındaki miktardır. Böylece, elimizde, Q = sabit yükü ile yarıçapı R olan iletken bir küresel kabuk içindeki potansiyel, şu şekilde belirlenir.

Daha büyük olanın ortasına daha küçük bir küre yerleştirin, r yarıçapı ve q yüzeyindeki yüktür. Sistemdeki çeşitli bölgelerde, küçültülmüş yüzeyden kaynaklanan potansiyel enerji aşağıdaki değerler olarak ifade edilebilir. Küçük kürenin yüzeyinde:

Van De Graaff Jeneratörünün Çalışma Prensibi

Büyük R-yarıçaplı küresel kabuğa bakarken:

Van De Graaff Jeneratörünün Çalışma Prensibi-2

Sistemdeki toplam yükleri dikkate alırsak, yükler sistemine atfedilebilen potansiyel enerji q ve Q olarak ifade edilebilir.

Van De Graaff Jeneratörünün Çalışma Prensibi-3

İç küre her zaman daha yüksek bir potansiyele sahiptir ve q’nun pozitif olduğunu varsayarak, daha büyük yüzeyde biriken Q yükünden etkilenmez. V(r)-V(R) sayısı pozitif bir potansiyel farkı temsil eder. Bu nedenle, Q’nun neden olduğu potansiyel R yarıçapına kadar sabit olduğu için fark nötralize edilir.

Ne kadar küçük olursa olsun, iletken bir tel daha küçük ve daha büyük küreleri birbirine bağlarsa, daha küçük küre üzerindeki q yükü daha büyük küreye iletilir. Burada, sistemde gösterildiği gibi, daha büyük küresel kabuğa küçük yüklü bir küre yerleştirirsek, daha büyük küre üzerindeki yük büyümeye devam eder.

Daha küçük küreye benzer şekilde, yük büyüdüğünde, havanın parçalanma alanı elde edilene kadar oradaki potansiyel de artacaktır. Van de Graaff jeneratörünün nasıl çalıştığının altında da benzer bir fikir yatmaktadır.

Van de Graaff Jeneratörünün Kullanım Alanları

Van De Graaff jeneratörleri, günümüzde parçacıkların elektrostatik davranışının teorik ve pratik unsurlarını göstermek için öncelikle eğitimde kullanılmaktadır. Van De Graaff jeneratörünün kullanım alanları arasında fizik laboratuvarlarında parçacık hızlandırıcıları olarak gösterim amaçlı kullanılması yer alır.

Yalıtılmış bir platformda otururken bu jeneratörün küresine dokunursak, küreden gelen yük vücudumuza ve saçlarımıza giderdi. Saçlarımız aynı yükü yayacağından, yükler birbirini iterdi. Van de Graaff jeneratörü, sabit akımlı elektrostatik cihazlardır. Akım sabit kalırken, bir Van de Graaff jeneratörüne yük eklenmesi nedeniyle voltaj değişir.

Bununla birlikte, parçacıkları hızlandırmak için daha etkili yollar geliştirmeden önce, Van de Graaff jeneratörleri nükleer fiziği araştırmak için en eski tekniklerden biriydi.

Van De Graaff jeneratörleri, modern dünyada sınırlı kullanımlarına rağmen, nükleer fizik parçacık çalışmaları tarihinde çok önemli bir dönüm noktasını temsil ediyor.

 

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here