Ladungstrennmaschine

Van-de-Graaff-Generator für Demonstrations- und Unterrichtszwecke

Ein Van-de-Graaff-Generator, auch Bandgenerator genannt, ist eine Apparatur zur Erzeugung hoher elektrischer Gleichspannungen.

Ein umlaufendes Gummiband, im Bild als dunkler senkrechter Streifen erkennbar, trägt positive Ladung, die durch Reibung oder durch Aufsprühen aus einer externen Spannungsquelle gewonnen wird, in die große Kugel (links im Bild). Die Erhöhung der Spannung und damit die in der Kugel gespeicherte Energie entsteht durch die mechanische Arbeit des Entfernens der positiven Ladungen vom negativ geladenen Fuß entgegen deren elektrostatischer Anziehungskraft. Der Bandgenerator wandelt daher wie ein Stromgenerator mechanische in elektrische Energie um, jedoch mit sehr schlechtem Wirkungsgrad.

Die im Bild sichtbare zweite, kleinere Kugel ist schwenkbar mit dem Fuß verbunden und dient als Gegenpol zur Ermittlung der Schlagweite der Funkenentladung sowie zur gefahrlosen Entladung der Apparatur.

Der Bandgenerator ist neben der Influenzmaschine das am häufigsten für physikalische Lehr-Experimente verwendete Gerät zur Hochspannungserzeugung. Der Generator wurde nach dem amerikanischen Physiker Robert Van de Graaff benannt, der ab 1929 Bandgeneratoren entwickelte. Eine Anwendung findet der Van-de-Graaff-Generator im Van-de-Graaff-Beschleuniger.

Funktionsweise

Van-de-Graaff-Generator schematisch 1) metallische Hohlkugel (trägt positive Ladung)
2) oberer Abnahmekamm (o. Bürste), mit kleinem Abstand zum Band (jedoch ohne Berührung)
3) obere Umlenkrolle (Metall)
4) positiv geladene Bandseite (Band dielektrisch)
5) negativ geladene Bandseite
6) untere Umlenkrolle (Kunststoff, z. B. Plexiglas)
7) unterer Abnahmekamm (Erde, Gegenelektrode f. neg. Ladung)
8) Kugel mit negativer ladung (zur Entladung der Hauptkugel)
9) Funkenstrecke bzw. Funkenentladung)

Elektrische Ladungen werden auf dem Band durch Reibungselektrizität (Abrollen des Bandes von der unteren Rolle) oder durch Aufsprühen mit einem Metallkamm (Spitzenentladung) aus einer externen Spannungsquelle erzeugt und mit diesem in die Hohlkugel transportiert. Dort werden sie über den im Inneren befindlichen Steg an die Kugel abgegeben. Eine Erhöhung der Spannung findet dadurch statt, dass die Ladungen vom unteren Erdpotential entfernt werden. Dabei wird gegen die elektrostatische Anziehungskraft Arbeit verrichtet. Ähnlich wie bei einem geladenen Plattenkondensator, dessen Platten man voneinander entfernt (Verringerung der Kapazität C) , erhöht sich bei gleichbleibender Ladung Q auf dem Band die Spannung U bzw. der Potentialunterschied zum Erdpotential:

$U=\frac{Q}{C}$

mit
U - gegenüber Erdpotential steigender Potentialunterschied
Q - konstante Ladungen auf dem Band
C - sich beim Hochlaufen verringernde Kapazität eines Bandabschnittes gegenüber Erde

Das Band steht nach dem Rücklauf wieder zur Aufnahme neuer Ladungen bereit, da sich das Potential beim Rücklauf (Annäherung an das Erdpotential) wieder verringert. Durch fortlaufenden Betrieb des Bandes können so große Ladungsmengen in die Kugel transportiert werden, sodass schließlich eine große elektrische Spannung zwischen Kugel und Erde entsteht. Die Arbeit wird als elektrische Feldenergie zwischen oberer Kugel und Umgebung/Erde deponiert.

Bei fortlaufendem Drehen stellt sich in der großen Kugel ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Ladung und den durch die Luft und andere Wege abfließenden Ladungen ein. Da der mechanisch erzeugte Ladestrom vergleichsweise klein ist, wird die erreichbare Spannung durch den Entladestrom über die schwach leitende Luft begrenzt. Daher funktionieren Bandgeneratoren in feuchtem Klima nur sehr schlecht.

Bei entsprechend großen Geräten können Spannungen von mehreren Millionen Volt erzeugt werden. Die großen, für Teilchenbeschleuniger verwendeten Geräte sind meist in einen Drucktank eingebaut, der mit einem geeigneten, trockenen Gas (zum Beispiel Schwefelhexafluorid) gefüllt wird. Sie erreichen zum Beispiel 25 MV Terminalspannung^[1] und verwenden Bandgeneratoren oder Pelletros in Tandemanordnung.

Die Kugel- oder zumindest abgerundete Form mit glatten Oberflächen minimiert den Verlust der Ladung, indem sie die an scharfen Kanten und Spitzen auftretenden durch Feldemission bewirkten Vorentladungen verringert.

Bandgeneratoren, die ohne externe Spannungsquelle arbeiten, benötigen geeignete Materialpaarungen (siehe Reibungselektrizität) zwischen unterer Rolle und Band, um im Band beim Abheben von der unteren Rolle genügend Reibungselektrizität zu erzeugen.

Extern gespeiste Bandgeneratoren besitzen oft auf dem Band voneinander isolierte Metallstege, die über eine kurz oberhalb der unteren Rolle befindliche Bürste oder einen Kamm aus Metall über eine Spitzenentladung geladen werden. Bei jenen muss die untere Rolle nicht aus Isoliermaterial bestehen. Daraus weiterentwickelt wurde das Pelletron^[2], welches durch eine Isolierstoff-Kette voneinander isolierte metallene Rohrstücke oder Kugeln verwendet.

Gefahrenhinweis

Bei kleinen Bandgeneratoren ist der beim Annähern an die obere Kugel durch den menschlichen Körper fließende Entladestrom nur kurzzeitig sehr hoch und daher ungefährlich. Jedoch sind Bandgeneratoren insbesondere dann eine Gefahrenquelle, wenn Leydener Flaschen oder andere Kondensatoren damit geladen werden. Die gespeicherte Energie kann dann derart hoch werden, dass ein elektrischer Schlag lebensgefährlich ist.

Trivia

Die britische Progressive-Rock-Band Van der Graaf Generator mit dem ehemaligen Physik-Studenten Peter Hammill benannte sich nach diesem Apparat (beachte die falsche Schreibung van de"r" Graa"f").

Einzelnachweise / Siehe auch

• Erzeugung und Verwendung von Hochspannung
• Reibungselektrizität
• Elektrostatik, Elektrostatische Entladung (ESD)
• Tandembeschleuniger
• Elektrisiermaschine (Zusammenfassung aller mechanischen Hochspannungsgeneratoren)
• Influenzmaschine

1. ↑ http://www.e12.physik.tu-muenchen.de/stud/vorlesungen/kruecken/kt1/current/skript/4-Beschleuniger.pdf Tandembeschleuniger
2. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Pelletron Pelletron (en. WP)