مولد واندوگراف

وقتی با جوراب خشک روی فرش راه می رویم و به دستگیره فلزی دست میزنیم جرقه می زند که این موضوع را با شوک کوچکی متوجه می شوید. در این شبیه ساز با مولد واندوگراف آشنا خواهیم شد، این دستگاه یک مولد الکترواستاتیک است که با استفاده از یک تسمه متحرک به مقدار بسیار زیادی بار الکتریکی که بر روی یک کره فلزی توخالی قرار دارد، حرکت می‌دهد. این وسیله در سال ۱۹۲۹ توسط فیزیکدان آمریکایی "رابرت جمیسون واندوگراف" (Robert J. Van de Graaf) اختراع شده ‌است.

اساس کار و هدف ما آشنایی با الکتریسیته ساکن و حرکت بار است، برای درک بهتر موضوع با مثالی شروع می کنیم:

هنگامی که موهای گربه‌ای را با برس شانه می‌کنید، موهای گربه بار الکتریکی مثبت و موهای برس بار الکتریکی منفی پیدا می‌کنند. با این کار شما الکتریسیته نمی آفرینید زیرا بار الکتریکی از قبل در آنجا حضور داشته. در هر اتم موهای گربه قبل از برس زدن، به تعداد مساوی بار مثبت و منفی وجود دارد: بار مثبت در هسته اتم ها و بار منفی در الکترون های اطراف آنها؛ کار برس فقط این است که به طریقی بارهای مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند. دلیل این امر این است که الکترون خواهی یا "تمایل به جذب الكترون" موهای برس از موهای گربه خیلی بیشتر است. بر اثر تماس موهای برس با موهای گربه، الکترون های منفی از موهای گربه به برس منتقل شده و یک بی تعادلی در بار الکتریکی برس-گربه ایجاد می‌شود. موی گربه کمبود بار منفی دارد که در اصطلاح می گوییم بار مثبت پیدا کرده است. اضافه بار منفی موی برس نیز باعث می‌شود که بار برس منفی شود. در نتیجه موی برس و موی گربه بار مساوی اما ناهمنام پیدا می‌کنند.

انرژیی که صرف برس زدن به موی گربه می شود در بارهای جدا شده انباشته می‌شود، هرگاه برس را به گربه نزدیک کنیم این انرژی به صورت جرقه آزاد می‌شود.

مولد واندوگراف بر اساس انتقال بار الکتریکی از طریق مالش عمل می کند. لازم به ذکر است که طی مالش دو ماده بهم یکی الکترون دهنده است که بار مثبت خواهد داشت و دیگری گیرنده الکترون است که حامل بار منفی خواهد بود.

به دست آوردن یا از دست دادن الکترون بین دو جسم ]در تماس با یکدیگر[ را می توان براساس جدولی موسوم به سری الکتریسیته مالشی (تریبوالکتریک) مشخص کرد. در این جدول مواد پایین تر، الکترون خواهی بیشتری دارند؛ یعنی اگر دو ماده در این جدول در تماس با یکدیگر قرار گیرند، الکترون ها از ماده بالاتر جدول به ماده ای که پایین تر قرار دارد منتقل می شود.

نحوه کار با شبیه ساز

قبل از کار با شبیه ساز می توانید روی گزینه "آشنایی" کلیک کنید تا ویدیو آموزشی را مشاهده کرده سپس با شبیه ساز کار کنید. اگر علاقه‌ای به فیلم ندارید متن زیر را تا انتها بخوانید:

پس از کلیک روی شبیه ساز و فعال شدن آن، گزینه تمام صفحه را بزنید تا ساده‌تر با شبیه ساز کار کنید، همچنین ]در صورت استفاده از تلفن هوشمند[ چرخش افقی گوشی را فعال کنید تا ابعاد بیشتری داشته باشید.

اولین آزمایشی که می بینید بررسی قرار گیری بار مثبت و منفی در واندوگراف است، باتوجه به جنس غلتک ها و تسمه، بار مثبت روی کلاهک جمع شده و بار منفی در انتهای دستگاه قرار می گیرد که با اتصال یک کره رسانا به آن، بار منفی می تواند تجمع کند. اگر دکمه سبز را فشار دهید واندوگراف شروع به کار کردن می کند. پس از مدتی به دلیل تجمع فراوان بار، یک اختلاف پتانسیل زیاد بین کلاهک و کره ایجاد می شود که منجر به جرقه زدن می شود. دقیقا مشابه همان اتفاقی که بین ابرها یا ابر و زمین رخ می دهد (رعد و برق)

در تب دوم با میدان الکتریکی آشنا خواهیم شد.

باتوجه به اینکه جسم مورد نظر را به کلاهک واندوگراف متصل کنیم یا انتهای آن، جسم بار مثبت یا منفی خواهد داشت. که در این بخش، از سمت راست می توانید انتخاب کنید میدان الکتریکی بار مثبت را می خواهید مشاهده کنید یا منفی

در هردو حالت شکل میدان انفجاری است اما اینکه خطوط میدان از بار الکتریکی دور می شوند یا به آن نزدیک می شوند قابل تشخیص نیست، بلکه این جهت ها قراردادی است. هر یک از حالت های مثبت یا منفی را انتخاب کرده و دکمه سبز را بزنید تا دستگاه روشن شده و آزمایش را مشاهده کنید.

توجه: برای آشنایی بیشتر به شبیه ساز "بازی با میدان الکتریکی" مراجعه کنید.

در تب سوم از سمت چپ قصد داریم با میدان الکتریکی یکنواخت آشنا شویم:

کافی است آزمایش را انتخاب کرده و دکمه سبز را فشار دهید تا آزمایش انجام شود، مشاهده می کنید که ورقه های نازک به سمت یکدیگر جذب شده و شکل خطوط میدان، یکنواخت می شود. میدان یکنواخت را در خازن های مسطح مطالعه خواهید کرد.

تب چهارم:

آشنایی با قفس فارادی و بررسی میدان الکتریکی در داخل و بیرون رسانا

تب پنجم: نزدیک شدن جسم رسانا و نارسانا به واندوگراف و واکنش هریک

تب ششم:

استفاده از کاربرد دافعه و جاذبه میان بارهای الکتریکی برای ساخت زنگ

تب هفتم

فرفره الکتریکی، این مورد را شما جواب دهید. چگونه این فرفره الکتریکی کار می کند؟ اگر محیط خلا باشد در آزمایش تاثیری خواهد داشت یا خیر؟

پرسش ها:

1- اجسام به چه طریقی باردار می شوند؟ آیا همه موارد را می توان در این شبیه ساز یافت؟ توضیح دهید.

2- اگر میله شیشه ای را با پارچه ابریشمی مالش دهیم، بار هریک پس از آزمایش چگونه خواهد بود؟

3- اینکه خطوط میدان الکتریکی دورشونده یا نزدیک شونده‌اند به چه طریقی قابل تشخیص است؟

3-شاید ولتاژ مولد واندوگراف به هزاران/میلیون‌ها ولت برسد اما جرقه آن شوک کوچکی ایجاد کرده و سوزش موقتی در بدنمان احساس خواهیم کرد اما ولتاژ 220 ولت برق شهری کشنده است، این تناقض چگونه رفع می شود؟

4- اگر اندازه 2بار ناهم‌نام برابر نباشد، شکل خطوط میدان چگونه خواهد بود؟

5- نمونه‌ای از کاربردهای قفس فارادی را نام ببرید.

6- اگر یک آونگ الکتریکی را به کلاهک واندوگراف نزدیک کنیم یک نوسان کوتاهی خواهد داشت، اما اگر دستمان را نزدیک آونگ کنیم به طور متناوب شروع به نوسان خواهد کرد، به نظر شما علت آن چیست؟

7- اگر فرفره الکتریکی را به جای اتصال به کلاهک واندوگراف (برای دریافت بار مثبت)، به انتهای دستگاه وصل کنیم و بار منفی دریافت کند آیا باز هم فرفره خواهد چرخید؟