الغرض من الجهاز : يستخدم الجهاز لتوليد جهد عال يصل إلى 70000 فولت DC، ولتكوين شحنات ذات نوع واحد ، ويستخدم أيضاُ لتوضيح الشحنات على السطوح الخارجية لكرة موصلة .
الأدوات اللازمة لتنفيذ نشاطات جهاز فان ديغراف : موالد فان ديغراف ، قضيب بلاستيكي ، قضيب زجاجي ، كشاف كهربائي ، كوب ألمنيوم ، قضيب معكوس ذو رأس مدبب ، أنبوبة مصباح نيون ، قضيب مع خصلة شعر ، ناقل شحنة ، كرة موصلة على قضيب عازل ، مجموعة تثبيت ، طابة تنس ، صحيفة معدنية ، خيط نايلون ، شمعة .
وصف الجهاز :
� القبة : وهي عبارة عن كرة مجوفة من مادة فلزية موصلة .
� الحامل : يصنع من مادة عازلة ويستخدم لتبيت القبة والبكرة العليا .
� الفرشاة : تنقل الشحنات الكهربائية من الحزام إلى القبة وهي تقع على الحزام المطاطي.
� الحزام المطاطي : نقل الشحنات الكهربائية .
� البكرات : لتحريك الحزام .
� محرك التشغيل .
� القاعدة : لتثبيت أجزاء الجهاز عليها .
� ناقل الشحنة : كروي الشكل له مقبض من البلاستيك يستخدم لنقل الشحنات من القبة إلى الكرة .
طريقة عمل الجهاز :
` نظف سطح القبة لأن ذلك يساعد على تكوين فرق جهد عال .
` ثبت الحزام المطاطي في المكان المخصص .
` يتم وصل الجهاز مع المصدر الكهربائي حيث يعمل الجهاز على فرق جهد 220 فولت AC.
` اضغط مفتاح التشغيل على الوضع ON .
` اترك الجهاز يعمل لمدة من الوقت ، ستلاحظ أن الحزام بدأ بالحركة .
` استخدم ناقل الشحنة بتقريبه من القبة ، ستلاحظ انتقال الشرارة من القبة الى ناقل الشحنة وذلك يدل على انتقال الشحنات الكهربائية .
* * * إن فرق الجهد المتكون على سطح القبة يعتمد على مساحة القبة وعلى طول الحزام المطاطي.
التجارب الإضافية التي نستطيع استخدام مولد فان ديغراف :
توضيح مبدأ عمل مانعة الصواعق :
نقوم بإجراء هذه التجربة كما يلي :
بعد تشغيل مولد فان ديغراف نقرب منه موصل معدني بالأرض ببطء وبالتدريج، حتى يحصل تفريغ كهربائي بين الكرة والموصل حيث يكون التفريغ بشكل شرار متقطع كلما تراكمت كمية كافية من الشحنات الكهربائية على سطح الكرة .
ملاحظة : استبدال الكرة الموصلة بسلك مدبب وآخر منبسط ، ماذا يحدث ؟
الآثار الميكانيكية لشرار التفريغ :
لإجراء هذه التجربة نستعمل ورق كربون حيث يتم تقريب ورق الكربون من سطح كرة المولد بعد تشغيله وملاحظة تأثير الشرار الكهربائي على ورقة الكربون عند اصطدامه بها حيث يحدث ثقوب صغيرة في الورقة .
* * من الممكن استعمال طريقة أخرى لملاحظة التأثير الميكانيكي وهي استعمال وعاء زجاجي مملوء بالزيت .
يقوم شخص يقف على لوح خشبي و زجاجي يلمس كرة المولد بيده ويضع إصبع يده فوق وعاء الزيت دون لمسه .
عند حدوث التفريغ فوق سطح الزيت سنلاحظ تقعر سطح الزيت واتجاهه إلى حواف الوعاء الزجاجي .
دراسة الآثار الحرارية لشرارة التفريغ
� لدراسة الآثار الحرارية لشرارة التفريغ نستخدم سائل كحولي سريع الاشتعال
� نضع السائل الكحولي في ملعقة معدنية .
� نقرب الملعقة من كرة المولد بعد تشغيله .
� عندما يحدث التفريغ الكهربائي بين كرة المولد والسطح العلوي للملعقة المعدنية .
� يحترق السائل الكحولي مما يظهر التأثير الحراري لهذا التفريغ .
*** يمكن استبدال السائل الكحولي بولاعة غاز صغيرة حيث يتم الضغط على كبسة صمام الغاز دون قدح وتقريب الولاعة من سطح الكرة بحيث يلامس الجزء المعدني من الولاعة إصبع اليد ، عند حدوث التفريغ الكهربائي بين كرة المولد والولاعة يشتعل الغاز الخارج من الولاعة .
دراسة خطوط المجال الكهربائي :
� نستخدم شرائح من ورق بعرض وبطول 10 سم تقريباً .
� نلصق الشرائح على كرة المولد باستعمال شريط لاصق شفاف أو بواسطة الشمع على نقاط مختلفة على سطح الكرة .
� عند تشغيل الجهاز سنلاحظ انتصاب شرائح المنديل بحيث يكون اتجاهها بشكل عمودي على سطح الكرة حسب اتجاه خطوط القوى .
� عند تقريب اليد أو موصل معدني منها يتغير اتجاهها ، لماذا ؟
مشاهدة تأثير الرياح الكهربائية
لمشاهدة تأثر الرياح الكهربائية نقوم بإجراء التجربة حسب الخطوات التالية:
� نستخدم قضيب تفريغ معكوف بزاوية قائمة برأس مدبب
� نثبت القضيب الموجود في أعلى الكرة .
� نشغل جهاز فان ديغراف .
� نقرب شمعة مشتعلة الى الرأس المدبب .
� نلاحظ أن لهب الشمعة يتجه بعيداً عن الرأس المدبب وسبب ذلك يعود الى أن جزيئات الهواء القريبة من الرأس المدبب تبتعد عنه مشكلة ريحاً كهربائياً تحرك لهب الشمعة .
تجاذ وتنافر الشحنات الكهربائية :
� نقوم بطلاء كرة التنس بطبقة كربونية باستخدام قلم رصاص .
� نعلق الكرة بخيط نايلون بطول 40 سم بحيث تكون على بعد 15 سم من كرة المولد .
� نقرب كرة التنس من كرة المولد بحيث تلامسها لفترة قصيرة من أجل اكتساب شحنة مشابة لشحنة الكرة المعدنية .
� بعد ذلك نلاحظ تنافر الكرتين مما يدل على تنافر الشحنات .
� في الخطوة الثانية : قرب كرة التنس ون ملامستها .
� نلمس الجانب البعيد لطابة التنس بموصل متصل مع الخط الأرضي أو باليد حيث تكتسب طابة التنس شحنة مختلفة لكرة المولد حيث تسري الشحنات المشابهة لشحنة كرة المولد من خلال سلك الأرضي وتبقى الحنة المخالفة على سطح الطابة .
� نترك طابة التنس معلقة حيث نلاحظ انجذابها نحو كرة المولد مما يؤكد على وجود شحنات مختلفة .
تعيين شحنة مولد فان ديغراف
� نربط قضيب البلاستيك من وسطه بخيط ، ثم نعلقه على مجموعة تثبيت .
� نقوم بدلك قضيب أبونيات أو بلاستيك بقطعة من الصوف حيث البلاستيك شحنة سالبة .
� نقرب القضيب من الجهة المشحونة من كرة المولد .
� إذا كانت شحنة المولد سالبة فان قضيب البلاستيك سيبتعد عن الكرة مما يدل على أن الكرة مشحونة بشحنة سالبة .
� بينما إذا حصل تجاذب فيدل ذلك على أن شحنة المولد موجبة والقضيب سالبة .
*** بالإمكان استبدال القضيب البلاستيكي بالكشاف الكهربائي أو قضيب زجاجي
دراسة التأثير الضوئي للشحنات الكهربائية
نقرب انبوبة مصباح النيون من الكرة حيث نلاحظ الإضاءة من مناطق مختلفة وذلك حسب موضع اليد التي تمسكها واتجاهها بالنسبة لكرة المولد ، كذلك من الممكن ملاحظة الآثار الضوئية ( الوميض ) للشحنات الكهربائية عند حدوث التفريغ.
تمثيل نموذج كبلر لمدارات الأقمار والكواكب
لتنفيذ هذا النشاط نقوم بما يلي :
� نعلق كرة صغيرة ذات سطح خارجي موصل بخيط عازل وبطول 5ـ10
� تكون كرة مولد فان ديغراف في مركز الدوران للكرة الصغيرة عند تحريكها بمدار دائري مخروطي كما في الشكل المجاور
� عند تشغيل المولد حرك الكرة الصغيرة حول كرة المولد .
� حاول لمس البندول من الجزء البعيد عن كرة المولد بواسطة إصبع أو موصل معدني متصل بالأرض .
� عند ذلك ستكتسب كرة البندول شحنة مخالفة لشحنة كرة المولد ويكون شكل مدارها بيضاوياَ.
� بعد تكرار العملية حول كرة المولد يتناقص نصف قطر دوران البندول ونلاحظ ازدياد سرعتها كلما اقتربت من كرة المولد ، حيث تكون سرعة البندول أكبر ما يمكن في جزء المدار البيضاوي القريب من كرة المولد و أقل ما يمكن في جزء المدار البيضاوي البعيد عن كرة المولد .
بالإضافة إلى التجارب السابقة من الممكن إجراء التجارب البسيطة التالية :
` عمل نموذج للكشاف الكهربائي .
` توزع الشحنات الكهربائية على السطوح الخارجية .
` البندول الكهربائي .
صيانة جهاز فان ديغراف
` استخدام الجهاز باستمرار ربما يسبب أحيان في قطع الحزام وذلك نتيجة الاحتكاك مع بعض الأجزاء الداخلية ، ولإصلاح ذلك نستخدم المطاط الداخلي لعجلة سيارة حيث نقوم بقص الحزام بشكل دائري حسب طول الحزام الأصلي .
` عند تشغيل الجهاز وعدم وجود شحنات كهربائية على القبة يكون الخلل في نقطة التوصيل بين الحزام والبكرة أي أنهما لا يكونان متصلين ، ولإصلاح ذلك نقوم بإزالة القبة ورفع البكرة إلى أعلى بحيث يتلامسان
موضوع: مولد فانديغراف