Generator Van de Graaff

In den frühen 1930er Jahren entwickelte, entwarf und baute Dr. Robert Van de Graaf, der zu dieser Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Massachusetts Institute of Technology tätig war und wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Kernphysik und Beschleunigertechnologie betrieb, einen elektrostatischen Hochspannungsbeschleuniger nach dem Prinzip eines elektrifizierten Luftionenförderband (1933).

Später, im Jahr 1936, baute Van de Graaff (alle nach dem gleichen Prinzip) den weltweit größten elektrostatischen Konstantspannungsgenerator - den Van de Graaff-Tandemgenerator, der aus zwei hohen Türmen besteht.

Die damaligen Zeitungen nannten die Erfindung eines außerordentlichen Professors nichts weniger als revolutionär und sagten ihm voraus, er solle "Wunder vollbringen" und "die Geheimnisse der Natur entdecken". Ein derart starkes Aufsehen in der Presse ist keineswegs überraschend, da der größte zweistufige Van-de-Graaff-Generator aus zwei riesigen Säulen mit einem Durchmesser von jeweils fast 2 Metern und einer Höhe von etwa 15 Metern bestand (wobei Metallkugeln mit einem Durchmesser von 4,5 Metern oben auf den Säulen montiert waren) die mechanisch mit einer elektrischen Ladung versorgt wurde) und es ermöglichte, eine Potentialdifferenz von 7.000.000 Volt zu erhalten.

Trotz des geringen Wirkungsgrades des gesamten Geräts (ca. 23%) hatten Menschen, die ein wunderbares Gerät bei der Arbeit sahen, einen unauslöschlichen Eindruck, da die Funkenentladungen mehr als einen Meter lang waren.

Die Leistung des Van de Graaff-Generators reichte für echte Forschungsarbeiten aus - um Atomkerne sowie Elementarteilchen wie Protonen und Elektronen auf ausreichend hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Der in Beschleunigern verwendete Van de Graaff-Generator half Wissenschaftlern, die Komponenten von Atomen zu identifizieren, die die Struktur des physikalischen Universums darstellen.

Sie sagen, dass Van de Grauf als Student auf die Idee des Funktionsprinzips eines Hochspannungsgenerators gekommen ist und von Zeit zu Zeit die Funken statischer Elektrizität auf einer funktionierenden Druckmaschine beobachtet hat.

Das Funktionsprinzip des Generators ist wie folgt. Seiden- oder Gummiband (dielektrisches Band) wird gedehnt und dreht sich wie ein Förderband auf einem Rollenpaar, von denen sich eine am Boden der Säule befindet, die zweite im Hohlraum der leitenden Kugel oben. Die untere Walze besteht aus Metall und ist galvanisch mit dem Boden verbunden. Sie wird von einem Motor angetrieben. Die obere Walze ist dielektrisch.

Eine Metallbürste, die mit dem Pluspol der Hochspannungsquelle verbunden ist und deren Minuspol direkt mit der unteren Walze verbunden ist, wird mit einem kleinen Spalt unter der unteren Walze auf das darunter liegende Band gebracht.

Zwischen der unteren Walze und der Bürste bewegt sich also ein dielektrisches Band (in einem echten Generator hatte das Band eine Breite von etwa 120 cm). Unter der Einwirkung einer Hochspannung (etwa 20.000 Volt) zwischen der Walze und der Bürste wird die Luft zwischen ihnen ionisiert und positive Luftionen, die durch die Coulomb-Kraft angesaugt werden, strömen zur negativ geladenen Walze. Da sich jedoch ein dielektrisches Band im Weg der Ionen befindet, setzen sich die Ionen auf dem Band ab und laden es auf diese Weise auf.

Das Band bewegt sich von unten nach oben, darunter wird kontinuierlich eine Ladung aufgenommen, gleichzeitig wird die Ladung von seiner Oberfläche kontinuierlich in der Nähe der oberen Walze aufgenommen, da sich neben der oberen Walze innerhalb der Kugel auch eine Bürste befindet. Die Bürste entfernt die Ladung vom Band, und da sie galvanisch mit der Innenfläche der hohlleitenden Kugel verbunden ist, überträgt sie die Ladung auf sie, elektrisiert diesen kugelförmigen Behälter immer mehr über seine gesamte Außenfläche, pumpt ihn im Wesentlichen und pumpt Ladung hinein.

Die grundsätzliche Möglichkeit einer Ladungsakkumulation in der Kapazität der Kugel des Van-de-Graaff-Generators wird durch die Koronaentladung begrenzt, die unvermeidlich aufgrund der Ionisierung der die Kugel umgebenden Luft entsteht. Die theoretische Grenze für eine Kugel mit einem Durchmesser von 4,5 Metern liegt bei ungefähr 17.000.000 Volt.

Der amerikanische Wissenschaftler James Staki und die Freiwillige Judy Creden demonstrieren die Fähigkeit des menschlichen Körpers, elektrischen Strom zu leiten. Vortrag in New York, 1966