Eines der interessanten Hochspannungsgeräte ist der Van-de-Graaff-Generator, ein Gerät, das durch die Elektrifizierung eines dielektrischen Bandes, das sich entlang zweier Rollen bewegt, eine hohe Potentialdifferenz erzeugt. Die maximale Spannung variiert je nach Größe des Geräts und kann von einigen zehn Kilovolt für kleine Tischgeneratoren bis zu Millionen Volt für große Geräte reichen, die für wissenschaftliche und Demonstrationszwecke verwendet werden können. Mit Hilfe eines Van-de-Graaff-Generators lassen sich viele spektakuläre Experimente durchführen, beispielsweise beobachten, wie kleine Konfetti durch den Einfluss elektrischer Kräfte nach oben fliegen oder einem Menschen die Haare „zu Berge stehen“, wenn der Körper einer Person ist auf bestimmte Weise mit einer Funkenstrecke verbunden. Für den Zusammenbau des Generators benötigen Sie keine speziellen Teile – alles kann entweder zu Hause gefunden oder im nächstgelegenen Baumarkt gekauft werden. Die allgemeine Schaltung des Generators ist unten dargestellt.
Einen Van-de-Graaff-Generator mit eigenen Händen herstellen
Strukturell ist der Generator ein Rohr, in dem sich ein dielektrisches Band dreht. Zwei Rollen oben und unten am Rohr sorgen für die nötige Spannung des Bandes; die untere Rolle dient gleichzeitig als Antrieb und ist mit der Motorwelle verbunden, die das Band dreht. Im oberen Teil des Rohres ist eine massive Metallkugel befestigt, die als Ladungsspeicher dient. Die Form einer Kugel ist für diesen Zweck am besten geeignet, da sie keine scharfen Vorsprünge aufweist und sich die Ladung daher am effizientesten ansammelt: Scharfe Vorsprünge können zum Auftreten einer Koronaentladung führen, durch die die angesammelte Ladung fließt. Um einen einfachen Heimgenerator herzustellen, können Sie eine große Pfanne als Kugel verwenden und diese verkehrt herum installieren. Als Klebeband eignet sich ein blutstillendes Tourniquet aus der Apotheke. Rollen können beispielsweise aus Holz, Styroporschaum oder anderen Materialien geschnitten werden kann einen Farbroller zerlegen. Als Gehäuserohr eignet sich ein Abwasserrohr mit einem Durchmesser von 10-11 cm. Der Antrieb des Riemens kann bei hohen Geschwindigkeiten mit einem Schraubenzieher oder mit verschiedenen recht leistungsstarken Motoren aus Spielzeug- oder Funkmodellen erfolgen. Die Montage beginnt mit der Suche nach geeigneten Bauteilen.
Bei Verwendung eines Abwasserrohrs mit einem Durchmesser von 11 cm beträgt die optimale Höhe der Struktur etwa 1 Meter. Die gesamte Struktur wird auf einem Ständer aus Altbrettern montiert.
Als Motor zum Drehen des Riemens verwende ich eine Antriebseinheit eines ferngesteuerten Hubschraubers, bei der es sich um ein Motorenpaar handelt, das gemeinsam ein großes Zahnrad dreht und so ein Getriebe bildet, das die Geschwindigkeit auf das gewünschte Niveau senkt und das Drehmoment erhöht. Das angetriebene Zahnrad ist an einem M4-Stift befestigt, der unten durch das gesamte Rohr geht, an dem künftig eine Welle mit Rolle befestigt werden soll. Wie die Praxis gezeigt hat, reicht ein Hubschraubermotor aus – trotz ihrer Größe haben solche Motoren eine ordentliche Leistung und drehen das gesamte Band problemlos im Gehäuse.
Die Motoren werden von oben mit einem Metallstreifen verpresst und die Ausrichtung aller Zahnräder ist voreingestellt. Um den Motor eines Van-de-Graaff-Generators anzutreiben, sollten vorzugsweise Batteriestromquellen verwendet werden, die in keiner Weise mit dem Netzwerk verbunden sind, auch nicht durch galvanische Trennung des Transformators.
Die Bilder oben zeigen die untere Walze. Es gelang ihnen, es aus zwei Stücken Penoplex-Isolierung herauszuschneiden und ihm eine Tonnenform zu verleihen. Bitte beachten Sie, dass die Form tonnenförmig sein sollte, mit einer leichten glatten Verdickung in der Mitte – wenn der Schaft völlig glatt ist, springt das Band hin und wieder ab. Das Material der Rollen spielt bei der Konstruktion des Generators eine wesentliche Rolle – die Unterseite sollte aus Metall und die Oberseite aus Kunststoff sein. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die untere Welle ganz aus Metall herzustellen, es reicht aus, sie oben mit einer leitfähigen Folie abzudecken; diese Folie muss auch elektrisch mit der Welle verbunden sein, auf der die Walze sitzt.
Den Oberroller habe ich fertig von einem Farbroller genommen, er passt in Form und Größe perfekt.Die Rolle ist, ähnlich wie die untere, auf einem M4-Stift montiert, der in Nuten am oberen Teil des Rohrs eingebaut wird, was auf dem Foto unten zu sehen ist.
Ein blutstillendes Tourniquet wird in fast jeder Apotheke verkauft; es verfügt über die notwendigen Eigenschaften zur Ladungsübertragung und ist zudem recht elastisch. Das gekaufte Tourniquet sollte aus Talk gewaschen, getrocknet und dann mit einem kleinen Rand auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden. Um das Band des Gurtzeugs in einen geschlossenen Kreis zu verwandeln, können die Enden einfach mit Sekundenkleber mit einer Überlappung von 2-3 cm zusammengeklebt werden; die Festigkeit einer solchen Verbindung erwies sich als mehr als ausreichend.
Der nächste Teil des Generators sind die Bürsten, durch die die Ladung auf das Band „aufgetragen“ wird und von dort in die obere Metallkugel „abfließt“. Ich empfehle, die Bürsten aus einem Stück mehradrigem Kabel herzustellen, das von der Isolierung freigelegt, aufgeschüttelt und auf Textolithplatten gelötet wird. Sie sollten zwei solcher Bürsten anfertigen, eine für die untere Walze und eine für die obere. Die untere Bürste wird mit der unteren Walze verbunden und mit der Erde verbunden, und die obere Bürste wird mit der Metallkugel verbunden. Das Foto unten zeigt die fertigen Pinsel.
Die Bürsten werden direkt neben den Walzen oben und unten montiert; der Abstand vom Band zu den Enden der Bürsten sollte möglichst gering sein, das Band sollte diese jedoch nicht berühren. Unten sehen Sie die verbauten Bürsten oben bzw. unten.
Jetzt müssen nur noch die Stützen hergestellt werden, auf denen die obere Kugel stehen soll – in meinem Fall wurde dafür ein besser zugängliches Analogon in Form einer umgekehrten Pfanne gefunden. Ein Stück Draht, das über die Höhe der Stützen hinausragt, ist mit der Bürste verbunden und sorgt für den Kontakt mit der Kugel.
Im unteren Teil der Struktur wird mit dem gleichen Drahtstück der Kontakt zwischen Welle, Rolle und Schlitz mit Erdung sichergestellt.Bitte beachten Sie, dass für den Betrieb des Generators eine gute Erdung erforderlich ist.
Als letztes wird die Kugel installiert und der Generator ist nun startbereit. Beim Einschalten entsteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Boden (untere Rolle) und der oberen Kugel. Sie nimmt zu, bis es zu einem elektrischen Durchschlag in der Luft oder im Rohr kommt oder bis die Geschwindigkeit des Ladungswachstums die Geschwindigkeit ihres „Abflusses“ aus der Kugel aufgrund von Koronaentladungen übersteigt. Der Wirkungsgrad des Generators hängt stark von der Luftfeuchtigkeit ab – je feuchter die Luft, desto mehr Verluste durch Koronaentladung und desto geringere Spannung kann erreicht werden. Sie können die Geschwindigkeit des Ladungsaufbaus erhöhen, indem Sie die Rotationsgeschwindigkeit des Riemens erhöhen, während gleichzeitig die maximale Spannung des Generators erhöht wird. Um die Kugel zu entladen, sollten Sie einen geerdeten Metallgegenstand näher an die Kugel heranbringen. Wenn dieses Objekt scharfe Kanten hat, fließt die Ladung gleichmäßig in Form einer Koronaentladung, die nur bei völliger Dunkelheit sichtbar ist. Wenn das Objekt glatte Linien aufweist, kommt es bei Annäherung an eine bestimmte Entfernung zur Kugel zu einem elektrischen Zusammenbruch der Luft mit einem ziemlich lauten Geräusch und einem Blitz. Beim Experimentieren mit dem Generator ist Vorsicht geboten, denn trotz seiner extrem geringen Leistung können Spannungsimpulse von Hunderten von Kilovolt gesundheitsschädlich sein.
