Fu inventata verso la fine del 1929 dal fisico
statunitense Robert Van de Graaff (1901-1967), da cui prende il nome.
Per la sua relativa semplicità è comune nei laboratori
di molte scuole, ma ha anche in applicazioni pratiche ad esempio in fisica
nucleare, dove l’elevata differenza di potenziale generata viene utilizzata per
accelerare particelle dotate di carica elettrica.
Principio di funzionamento:
Il generatore è composto sostanzialmente da una cinghia
di materiale isolante tesa tra due pulegge e mantenuta in rotazione da un
motore. La cinghia viene caricata per induzione da una serie di punte
metalliche poste in prossimità di una delle due pulegge e collegate ad un
generatore di tensione continua (ad esempio una batteria).
Queste cariche vengono poi trasportate per azione del
motore interno di un conduttore di forma sferica isolato, dove un secondo
pettine metallico collegato elettricamente alla sfera le trasferisce sulla
superficie di quest’ultima. Se non si spegne la macchina il processo si arresta
quando la tensione della sfera sufficiente a produrre scariche elettriche
attraverso gli isolanti di sostegno (rottura dielettrica) o attraverso l’aria circostante
(ionizzazione dell’aria).
Il tipico esperimento che si fa nelle scuole è quello
di avvicinare alla sfera in tensione un conduttore posto a massa e di osservare
la scarica che si genera in modo analogo ai fulmini.
Tensione di funzionamento:
In questo tipo di generatore si raggiungono tensioni
che sono proporzionali al raggio dell’elettrodo ad alta tensione. Una macchina
con elettrodo di un metro di raggio, può raggiungere una tensione massima di 106V.
Per raggiungere tale tensione occorre che l’elettrodo
sia distante da ogni altro oggetto e che l’aria sia quasi priva di umidità. Per
ottenere tale caratteristica, dopo il 1935, tutti i generatori sono stati
realizzati racchiusi in un recipiente cilindrico di acciaio contenente un gas
(aria deumidificata oppure elio), ad una pressione di 10-20 atm.
Con la pressione, infatti, aumenta la capacità del gas
di sopportare campi elettrici elevati senza dar luogo a scintille. Dopo il 1940
sono stati usati gas diversi dall’aria (ossido di carbonio, freon,azoto), e
realizzati generatori con tensioni da 1 MV fino a 5,5 MV contenitore di 2,5 m
di diametro e 8 m di altezza.
Acceleratori Tandem:
Il più recente sviluppo del generatore di Van de Graaff
è stato, a partire dal 1958, l’acceleratore a bersaglio fisso, elettrostatico,
tipo tandem.
Alcuni ioni negativi (generalmente
ioni d’idrogeno con due elettroni) vengono emessi da una sorgente, collimati ed
immessi in un tubo di pochi metri ai cui estremi si trovano un elettrodo a terra
ed un elettrodo con potenziale positivo prodotto da un generatore di Van de
Graaff.
Gli ioni negativi vengono così accelerati verso
l’elettrodo ad alta tensione, dove un getto di idrogeno li libera dagli
elettroni. Gli ioni positivi così ricavati vengono quindi ulteriormente
accellerati verso il bersaglio fisso costituito dall’elettrodo a terra.
Il massimo potenziale raggiunto da un acceleratore Van
de Graaff è pari a 25,5 MV.
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