FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilKoronaudladning fra van de Graaff / Elektrisk vind

Forsøg nr.: 52
Formål: At demonstrere koronaudladning og elektrisk vind.
Resume: En spids genstand på en van de Graaff generator laver koronaudladning og en elektrisk vind.
Nøgleord: Coulombs Lov, elektriske felter, elektriske potentialer, højspænding, statisk ladning, acceleration, ioniseringspotentiale, spektralanalyse.

Beskrivelse:

En van de Graaff generator udstyres med en nål, en tegnestift eller en anden spids genstand af metal. Når generatoren lades op, vil både kuplen og nålen være på samme elektriske potentiale. Til gengæld vil det elektriske felt nær overfladen være klart størst ved nålens spids.

Koronaudladning fra en spids nål på en van de Graaff generator
Koronaudladning fra en spids nål på en van de Graaff generator.

I praksis bliver det elektriske felt så stort, at feltet kan ionisere luften. Dette kaldes koronaudladning. En sådan kan faktisk ses, idet en udladning i luft laver et karakteristisk lilla skær, der kommer fra plasmaet omkring nålen, hvor luftens molekyler ioniseres og rekombinerer under udsendelse af lys. For at se lyset skal man lade van de Graaff generatoren køre i et fuldstændigt mørkelagt lokale.

Koronaudladning fra en tegnestift
Koronaudladning fra en tegnestift placeret på toppen af en van de Graaff generator. Billedet er taget i mørke af et digitalkamera med lang eksponeringstid.

Hvis det er svært at se koronaudladningen, kan man i stedet tage et billede af nålespidsen med et kamera, der har lang eksponeringstid.

Koronaudladning fra en skarp kant på en opladet metalbeholder
Koronaudladning fra en skarp kant på en opladet metalbeholder.

Holder man nu hånden hen over nålen, så vil man kunne mærke en svag vind fra nålen. Dette fænomen kaldes en elektrisk vind og skyldes, at den ionserede luft frastødes fra van de Graaff generatoren. Man får altså en strøm af luftmolekyler, der er delvist ladet. Rører man efterfølgende ved noget metal kan man opleve, at der springer en lille gnist. Dette skyldes, at man er ladet op af den elektriske vind.

Møllehjul med skarpe spidser placeret på van de Graaff generator
Møllehjul med skarpe spidser placeret på van de Graaff generator. Den elektriske vind får møllehjulet til at dreje rundt (her: med uret).

Den elektriske vind kan også bruges til at få en møllehjul til at dreje rundt. Se billedet ovenover.

Koronaudladninger optræder også ofte i naturen, for eksempel omkring master på skibe, kirkespir, lynafledere eller vingerne på fly. Her kaldes fænomenet "Skt. Elms Ild".

Spørgsmål og svar:

Er gnister fra van de Graaff generatorer farlige?

Selv om spændingen fra generatoren er meget høj, så løber der kun en lille strøm, når man aflader den. Derfor afsættes der kun en ganske ubetydelig effekt i en person, der trækker en gnist. Selve gnisten springer til et meget lille kontaktpunkt på personens krop, og denne koncentration af strøm påvirker nerverne, så gnisten føles som et lille smæld på huden. Dette er dog ikke farligt. At strømmen dog ikke er helt ubetydelig, kan man opleve ved, at man kan få kroppens muskler til at trække sig sammen, når de påvirkes af en gnist. På trods af, at generatorene har været anvendt til undervisning i årtier, så er det dog svært at opspore dokumenterede tilfælde af dødsfald eller skader. Tilsvarende kan man nævne, at van de Graaff generatorer formentligt ikke er farligere end de elektriske hegn, man finder på landet ud til offentlige veje. Som udgangspunkt må man sige, at en van de Graaff generator ikke betragtes som decideret farlig, men bare for at være helt sikker, så bør man ikke lade folk, der har fået konstateret svagt hjerte, eksperimentere med en van de Graaff generator.

Hvordan staves van de Graaff?

Det staves netop, som det bruges på disse sider: "van de Graaff". Ikke "der" eller "Graff". Det er muligvis et af de mest fejlstavede navne i naturvidenskaben. Dette skyldes blandt andet et engelsk rockband fra 1960erne og 70erne med navnet "Van Der Graaf Generator".

Hvorfor bliver generatorens kuppel ikke ladet op?

Van de Graaff generatorer kan være meget lunefulde, da spændingen på kuplen for eksempel afhænger af luftens fugtighed samt støv og skidt på selve generatoren. Hvis kuplen ikke lades op, så prøv at rense kuppel, søjler, bånd og båndruller grundigt for skidt. Undersøg også om båndet er blevet ledende, hvilket kan ske efter nogle års brug. I så fald skal båndet udskiftes. Afprøv altid en van de Graaff lige før du skal gennemføre et forsøg!

Hvorfor kan jeg ikke se koronaudladningen?

Det er muligt, at van de Graaff generatoren ikke virker ordentligt på grund af støv eller luftfugtighed. Afprøv først generatoren uden nålen for at se, om den bliver ladet ordentligt op. I stedet for at se på koronaudladningen med det blotte øje kan man bruge et kamera med lang eksponeringstid. Det skulle være nok til at opfange det svage lys.

Udstyr og materialer:

grøn pil Van de Graaff generator
grøn pil Nål

Referencer:

grøn pil"How van de Graaff generators work" (howstuffworks.com).
grøn pilR.J. Van de Graaff, K.T. Compton, and L.C. Van Atta: "The Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations", Phys. Rev. 43, 149 (1933).
grøn pilR.J. Van de Graaff, J.G. Trump, and W.W. Buechner: "Electrostatic generators for the acceleration of charged particles", Rep. Prog. Phys. 11, 1 (1946).
grøn pilP.H. Rose and A.B. Wittkower: "Tandem van de Graaff accelerators", Scientific American 223, 24 (august 1970).
grøn pilA.W. Simon: "Theory of the frictional Van de Graaff electrostatic generator", Am. J. Phys. 43, 1108 (1975).
grøn pilM. Robinson: "A history of the electric wind", Am. J. Phys. 30, 366 (1962).

PIRA DCS: 5B30.40 (Elektricitet og magnetisme: Elektriske felter og potentialer) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 07.12.2005