Generatore di Van de Graaff

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Il generatore di Van de Graaff è una macchina elettrostatica in grado di accumulare una notevole quantità di carica elettrica in un conduttore, creando tra questo ed un elettrodo di riferimento, solitamente messo a terra, un'altissima tensione (si può arrivare fino a milioni di Volt).

Fu inventata verso la fine del 1929 dal fisico statunitense Robert Jemison 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 applicazioni pratiche ad esempio in fisica nucleare, dove l'elevata differenza di potenziale generata viene utilizzata per accelerare particelle dotate di carica elettrica.

[modifica] Principio di funzionamento

Un generatore di questo tipo 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 (effetto punta) 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 all'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 è 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.

[modifica] Tensione di funzionamento

In questo tipo di generatori 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 10⁶ V. Per raggiungere tale tensione occorre però 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 (con contenitore di 2,5 m. di diametro e 8 m. di altezza).

[modifica] Acceleratori tandem

Il più recente sviluppo del generatore di Van der Graaff è stato, a partire dal 1958, l'acceleratore a bersaglio fisso, elettrostatico, tipo tandem. Alcuni ioni negativi (generalmente ioni idrogeno con due elettroni) vengono emessi da una sorgente, collimati ed immessi in un tubo di pochi metri ai cui estermi si trovano un elettrodo a terra ed un elettrodo con potenziale positivo prodotto da un generatore di Van der 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 accelerati verso il bersaglio fisso costituito dall'elettrodo a terra. Il massimo potenziale raggiunto da un acceleratore Van der Graaff è pari a 25,5 MV