Generator Van de Graaff adalah artefak yang bekerja berkat fenomena elektrostatik, dan fungsinya untuk mereproduksi potensi listrik yang sangat besar, dalam urutan megaelectronvolts (MeV), untuk mempercepat partikel subatomik. Potensi semacam itu terkonsentrasi di bagian atasnya, di mana terdapat karakteristik bola logam dan berongga.
Itu ditemukan pada tahun 1929 oleh fisikawan Amerika Robert J. Van de Graaff, membangun model dengan berbagai ukuran dan kapasitas listrik. Salah satu yang terbesar, dibuat pada tahun 1933 dan terlihat pada gambar di bawah, mampu mencapai potensial listrik 5MeV; lima kali lebih kecil dari yang saat ini dapat dicapai (25,5MeV).
Potensi generator Van de Graaff sangat besar sehingga pelepasan listrik terjadi di udara yang mengelilingi bola logamnya. Pelepasan ini adalah produk dari ketidakseimbangan muatan listrik, karena bola memperoleh muatan listrik yang sangat negatif atau sangat positif; semua tergantung bahan dan desainnya.
Alat ini cukup populer dalam pengajaran fisika dan kelistrikan. Ini karena para sukarelawan, ketika menyentuh bola atau kubah logam dari generator kecil, mengalami pencabutan rambut yang tidak disengaja, yang mengingatkan pada sengatan listrik.
bagian generator Van de Graaff
Pada gambar di atas kami memiliki bagian konvensional untuk generator Van de Graaff. Ini memiliki bingkai vertikal di atasnya dengan bola berongga atau kubah logam (1). Di dalam, kami memiliki pita atau sabuk (4 dan 5) yang terbuat dari bahan polimer dan isolasi, seperti selang bedah.
Sabuk ini terus bergerak di antara dua rol: yang atas (3) dan yang lebih rendah (6). Selain itu, setiap rol telah memasang sikat logam (2 dan 7) yang menyikat permukaan sabuk. Pergerakan sabuk diaktifkan oleh motor listrik yang terhubung ke dasar generator.
Seperti terlihat pada gambar, bola generator bermuatan positif (+). Oleh karena itu, diperlukan elektron untuk memasok ketidakseimbangan listrik. Di sinilah elektron (-) yang meninggalkan generator berakhir secara negatif mengisi perangkat logam terdekat (8); untuk akhirnya menghasilkan pelepasan listrik (9) ke arah kubah logam.
Pelepasan listrik dapat terjadi baik ke arah kubah, atau ke arah perangkat; yang terakhir terjadi ketika kubah yang bermuatan negatif.
Bagaimana cara kerja generator Van de Graaff?
seri triboelektrik
Generator Van de Graaff dapat diisi secara positif atau negatif. Simbol muatan akan bergantung pada sifat triboelektrik bahan dari mana sabuk dan penutup rol bawah dibuat.
Misalnya, jika rol bawah dilapisi dengan nilon, tetapi sabuknya terbuat dari karet, maka rangkaian triboelektrik harus diperiksa untuk mengetahui bahan mana yang akan menerima dan mana yang akan mendonorkan elektron begitu bersentuhan.
Jadi, karena nilon lebih positif, yaitu karena lebih tinggi pada deret triboelektrik daripada karet, maka ia akan kehilangan elektron sedangkan karet akan memperolehnya. Oleh karena itu, sabuk pada akhirnya akan memindahkan atau memobilisasi muatan negatif saat motor generator dihidupkan.
Sedangkan jika rol bawah dilapisi dengan silikon, yang terjadi sebaliknya: sabuk akan kehilangan elektron, karena silikon lebih negatif daripada karet pada deret triboelektrik. Dan akibatnya, sabuk akan memindahkan atau memobilisasi muatan positif (seperti pada gambar yang sudah dijelaskan).
Pemindahan beban
Triboelektrik hanyalah salah satu dari banyak fenomena listrik (korona dan efek fotolistrik, cetakan es Faraday, medan listrik, dll.) yang terjadi di generator Van de Graaff. Tetapi intinya adalah ia dapat memindahkan, memindahkan, atau “memompa” muatan listrik ke dalam kubah logam.
Setelah rol bawah bermuatan negatif setelah motor diaktifkan, dan sabuk bermuatan positif, elektron pada rol mulai menolak elektron di permukaan luar sabuk. Elektron-elektron ini bermigrasi, melalui udara, menuju sikat yang lebih rendah, di mana mereka akan dibawa ke bumi atau perangkat lain.
Sabuk bermuatan positif mencapai rol atas, yang memiliki sifat triboelektrik yang berlawanan dengan rol bawah; yaitu, alih-alih menjadi bermuatan negatif, ia harus kehilangan elektron dan karena itu juga menjadi bermuatan positif. Dengan demikian, muatan positif bergerak menuju rol atas dan, akhirnya, menuju sikat atas yang bersentuhan langsung dengan kubah logam.
Elektron dari sikat atas diangkut ke roller untuk menetralkan muatan. Tapi elektron ini berasal dari permukaan kubah logam. Oleh karena itu, kubah juga memperoleh muatan positif.
Sengatan listrik
Kubah, menurut dimensinya, akan mencapai potensi maksimal. Setelah itu, muatan listrik harus diseimbangkan. Menjadi sangat positif, ia akan menerima elektron dari sumber bermuatan sangat negatif: perangkat yang menerima elektron dari sikat bawah. Dengan demikian, pelepasan listrik (percikan api) dihasilkan dari perangkat (negatif) ke kubah logam (positif).
Semakin besar potensi listrik yang dicapai, sebanding dengan dimensi generator, semakin kuat pelepasan listrik yang dihasilkan. Perhatikan bahwa jika ukurannya tidak terlalu besar, elektron tidak dapat bergerak melalui udara, media dielektrik non-konduktif.
Aplikasi
guru
Jika bola logam bermuatan positif, dan seseorang menyentuhnya, rambut mereka juga akan bermuatan positif. Seperti muatan saling tolak, dan karena itu rambut akan berdiri tegak dan terpisah satu sama lain. Fenomena ini digunakan untuk tujuan pendidikan dalam kursus yang memperkenalkan elektrostatis.
Oleh karena itu, generator Van de Graaff berukuran kecil digunakan untuk menarik perhatian pengamat sehubungan dengan bulu rambut mereka; atau dalam perenungan pelepasan listrik, replika persis dari yang kita lihat di film fiksi ilmiah.
Akselerator partikel
Ketika kubah memusatkan banyak muatan listrik, dihasilkan potensi yang mampu mempercepat partikel subatomik. Untuk tujuan ini, generator Van de Graaff digunakan untuk mereproduksi sinar-X dalam studi pengobatan dan fisika nuklir.
Referensi
- Serway, RA dan Jewett, JW (2005). Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 2. Edisi ketujuh. Pembelajaran Cengage Editorial.
- Wikipedia. (2020). pembangkit Van de Graaff. Diperoleh dari: en.wikipedia.org
- Akademi Magnet. (17 Juni 2019). pembangkit Van de Graaff. Diperoleh dari: nationalmaglab.org
- Universitas Seattle. (2020). Elektrostatis – Mangkuk Aluminium dengan Generator Van de Graaff. Diperoleh dari: seattleu.edu
- John Zavisa. (1 April 2000). Cara Kerja Generator Van de Graaff. Diperoleh dari: science.howstuffworks.com
