Generator Van de Graaff

Generator Van de Graaff

Generator Van de Graaff kecil atau miniatur digunakan pada edukasi sains
Kegunaan	Mengakselerasi elektron untuk mensterilkan makanan dan bahan-bahan proses, mengakselerasi proton untuk eksperimen fisika nuklir, memproduksi sinar energi X-ray dalam pengobatan nuklir, edukasi fisika, dan hiburan
Penemu	Robert J. Van de Graaff
Barang terkait	akselerator partikel linear

Sebuah generator Van de Graaff adalah sebuah generator elektrostatik yang di mana menggunakan sabuk berjalan untuk mengakumulasi muatan listrik dalam bola logam yang berongga diatas dari tiang yang terisolasi, menciptakan potensi elektrik yang tinggi. Memproduksi tegangan tinggi dalam direct current (DC) elektrik yang pada tingkatan rendah. Generator ini ditemukan oleh fisikawan Amerika Robert J. Van de Graaff pada tahun 1929.^[1]

Generator Van de Graaff mulanya digunakan sebagai akselerator partikel untuk riset fisika, karena dengan potensi tingginya bisa digunakan untuk mengakselerasi partikel subatomik hingga kecepatan yang sangat dalam tabung evakuasi. Generator ini juga salah satu tipe akselerator yang kuat hingga ditemukannya cyclotron yang ada pada awal tahun 1930-an. Generator Van de Graaff tetap digunakan sebagai akselerator untuk menghasilkan partikel energik dan sinar X-ray untuk riset nuklir dan pengobatan nuklir.^[2]

Tegangan yang diproduksi pada udara terbuka, mesin Van de Graaf ini dibatasi oleh arc atau busur atau lengkungan dan pelepasan koronal hingga pada 5 MV. Kebanyakan mesin industri modern diisolasi pada tangki bertekanan dari gas berisolasi; ini bisa diraih dengan potensi yang sebesar 25 MV.

Sejarah

Latar Belakang

Konsep dari generator elektrostatik yang di mana muatan secara mekanik ditransportasi dalam jumlah yang sedikit menuju bagian dalam dari elektrode bertekanan tinggi yang awalnya dengan Penetes Air Kelvin, yang ditemukan pada tahun 1867 oleh William Thomson (Tuan Kelvin),^[3] Dimana tetesan air bertegangan jatuh ke ember dengan polaritas tegangan yang sama, menambahkan pada tegangannya.^[4] Pada mesin jenis ini, gravitasi menggerakkan tetesan air melawan dari medan elektrostatik yang berlawanan dari ember. Kelvin sendiri menyarankan untuk menggunakan sabuk untuk membawa muatan daripada air. Pada mesin pertama elektrostatik, telah digunakan sabuk tak terhingga untuk mentransfer muatan yang dibuat pada tahun 1872 oleh Augusto Righi.^[1][4] Pada mesin itu, digunakan sabuk terbuat dari karet india dengan kawat cincin sejalur dengan panjangnya sebagai pembawa muatan, yang di mana ditransfer ke bola logam elektrode. Muatan ini diterapkan oleh sabuk dari penggilas bawah oleh induksi elektrostatik menggunakan pelat bermuatan. John Gray juga menemukan mesin sabuk pada tahun 1890.^[4] Mesin sabuk yang lebih kompleks lagi ditemukan pada tahun 1903 oleh Juan Burboa^[1][5] Inspirasi yang secara langsung berkontribusi untuk pembuatan generator Van de Graff, W. F. G. Swann telah mengembangkan pada tahun 1920-an di mana muatan telah ditransportasi pada sebuah elektrode oleh bola-bola logam, di mana mengembalikan prinsip dari tetesan air Kelvin.^[1][6]

Pengembangan Awal

Generator Van de Graaf dikembangkan pada tahun 1929, oleh fisikawan Robert J. Van de Graaf pada Princeton University, dengan bantuan koleganya Nicholas Burke. Model awalnya didemonstrasikan pada bulan Oktober 1929.^[7] Mesin awalnya menggunakan kaleng logam biasa, motor rotor kecil, dan pita sutra yang dibeli pada toko kelontong di Amerika Utara. Setelah itu, dia mengajukan ke ketua departemen fisika memohon $100 untuk mengimprovisasi versinya itu. Dia mendapatkan uangnya, dengan beberapa kerepotan dan kesulitan. Pada tahun 1931, dia dapat melaporkan mencapai 1.5 juta volt, mengatakan "Mesinnya itu sederhana, murah, dan portabel. Saklar lampu biasa dapat mencukupi kebutuhan dayanya."^[8][9] Menurut aplikasi pengajuan paten, mesinnya memiliki dua bola berdiameter sekitar 60 cm dengan akumulasi muatan yang disokong pada tiang kaca borosilikat 180 tinggi cm; aparatusnya seharga $90 pada tahun 1931.^[10][11]

Pengajuan paten kedua Van de Graaf yaitu pada bulan Desember 1931, di mana ditujukan pada Massachusetts Institute of Technology sebagai ganti dari bagi hasil bersih; paten tersebut setelah itu diterima.^[12]

Pada tahun 1933, Van de Graaff membangun model setinggi 12 meter di fakultas MIT di Round Hill, yang didonasikan oleh Kolonel Edward H. R. Green.^[13] Salah satu konsekuensi dari lokasi di mana generator ini berada adalah pada hangar pesawat terbang menjadi "efek burung dara": Pelengkungan diakumulasi dari kotoran burung pada bagian luarnya dari bola tersebut.^[14]

Mesin Energi Tinggi

Pada tahun 1937, perusahaan Westinghouse Electric membangun sebuah mesin setinggi 20 meter, mesin ini dapat menghasilkan 5 MeV di Forest Hills, Pennsylvania. Ditandai sebagai awal riset nuklir untuk diaplikasikan pada masyarakat luas.^[15][16] yang kemudian dihentikan pada tahun 1958 dan dirombak pada tahun 2015^[17] (Dengan bagian pagarnya dibaringkan ke samping dengan alasan keselamatan)^[18]

Perkembangan yang baru-baru ini adalah perkembangan tandem akselerator Van de Graaff, yang berisi satu atau lebih dari generator Van de Graaff, yang di mana bermuatan ion negatif yang diakselerasikan melalui perbedaan potensial sebelum dihilangkan dari elektron dua atau lebih, didalamnya ada sebuah terminal bertegangan tinggi, dan diakselerasikan ulang. Sebuah contoh dari operasi tiga tahapan telah dibangun di Laboratorium Nuklir Oxford pada tahun 1964 dengan 10 MV 'injektor' yang satu arah dan tandem 6 MV.^{[19][halaman dibutuhkan]}

Pada tahun 1970-an, sebesar 14 MV bisa dicapai terhadap tandem terminal yang digunakan pada tangki bertekanan tinggi dari gas sulfur heksafluorida (SF₆) untuk mencegah percikan dengan menangkap elektron. Hal ini membolehkan pembentukan dari sinar ion berat dan beberapa puluhan dari MeV, cukup untuk mempelajari cahaya ion secara langsung dari reaksi nuklir. Potensi yang besar dilanjutkan oleh akselerator Van de Graaff adalah 25.5 MV yang telah dicapai dengan tandem di Fasilitas Ion Radioaktif Holifield di Oak Ridge National Laboratory.^[20]

Perkembangan selanjutnya adalah Pelletron, di mana sabuk karet atau kain diganti dengan rantai pipa konduktif yang pendek dengan diselimuti oleh tautan-tautan kecil, dan udara ion elektrode diganti dengan roler yang ditanam dan elektrode bermuatan induktif. Rantai ini bisa dioperasikan dengan tegangan yang tinggi daripada sabuk, dan tegangan-tegangan serta arusnya yang dicapai lebih tinggi daripada generator konvensional Van de Graaff. Akselerator Ion 14  pada the Australian National University menyimpan Pelletron 15 MV. Rantai-rantainya lebih dari 20 m panjangnya serta bisa bergerak lebih cepat daripada 50 km/h.^[21]

Fasilitas Struktur Nuklir (NSF) pada Daresbury Laboratory telah diproposalkan pada tahun 1970-an, dan dikomisikan pada tahun 1981, dan dibuka untuk eksperimen pada tahun 1983. Isinya terdiri dari tandem gennerator Van de Graaff yang beroperasi secara rutin pada 20 MV, ditempatkan pada bangunan yang tingginya sekitar 70 m. Pada masa aktifnya, diakselerasikan hingga 80 sinar ion yang berbeda untuk kegunaan eksperimen, dari proton hingga uranium. Sebuah fitur yang utama adalah kemampuan untuk mengakselerasi isotop yang langka dan sinar radioaktif. Mungkin penemuan yang paling penting dari menggunakan NSF adlaah nuklei yang amburadul (tak berbentuk atau cacat atau malformasi). Nuklei ini, ketika dibentuk dari reaksi fusi dari unsur yang lebih ringan, berputar sangat cepat. Pola sinar gamma yang dihasilkan setelah melambat dihasilkan informasi detail tentang struktur dalam dari nukleus. Dengan beberapa kekurangan finansial, NSF ditutup pada tahun 1993.^{[22][dibutuhkan verifikasi sumber]}

Deskripsi

Generator Van de Graaff sederhana terdiri dari sabuk karet (atau material fleksibel lainnya yang bersifat dielektrik) yang berjalan melewati dua roler dari material berbeda. Salah satu roler tersebut diselimuti oleh bola logam berongga. Elektroda logam berbentuk sisir (nomor 2 dan 7 pada diagram) diposisikan dekat dengan setiap roler. Sisir bagian atas (2) terhubung ke bola logam, sedangkan sisir bagian bawah (7) terhubung ke tanah (ground). Ketika motor digunakan untuk menggerakkan sabuk, efek triboelektrik akan menyebabkan elektron berpindah di antara material sabuk dan kedua roler yang berbeda tersebut. Dalam contoh ini, sabuk karet akan bermuatan negatif, sedangkan roler gelas akrilik bagian atas akan bermuatan positif. Sabuk kemudian membawa muatan negatif ini ke permukaan bagian dalam, sementara roler bagian atas terus mengakumulasi muatan positif.^[23]

Selanjutnya, medan elektrik kuat yang menyelimuti roler atas bermuatan positif (3) menginduksi medan elektrik yang sangat tinggi pada sisir terdekat (2). Pada ujung-ujung sisir tersebut, medan elektrik menjadi cukup kuat untuk mengionisasi molekul udara. Elektron dari molekul udara akan ditarik ke luar dari sabuk, sementara ion positif tertarik ke sisir. Elektron dari logam kemudian menetralkan ion pada sisir, sehingga meninggalkan sisir dan kubah luar (1) dengan kekurangan elektron atau bermuatan positif. Berdasarkan Hukum Gauss (seperti yang diilustrasikan dalam eksperimen ember es Faraday), muatan positif yang berlebih akan diakumulasikan pada permukaan luar dari kubah pelindung tersebut, sehingga menghilangkan medan elektrik di bagian dalam. Proses pergerakan sabuk yang terus-menerus ini memicu induksi elektrostatik yang membangun muatan dalam jumlah besar pada selubung luar. Muatan akan terakumulasi secara kontinyu sampai laju muatan yang meninggalkan bola (melalui kebocoran dan pelepasan koronal) sama dengan laju muatan baru yang dibawa oleh sabuk menuju bola tersebut.^[23]

Di luar terminal bola, medan elektrik tinggi dihasilkan oleh tegangan tinggi dari bola tersebut, yang biasanya akan mencegah penambahan muatan lebih lanjut dari luar. Namun, karena muatan elektrik dialirkan dari dalam konduktor, muatan dapat ditambahkan secara kontinyu dari dalam tanpa terpengaruh oleh potensi penuh yang ada di bagian luar.

Semakin besar ukuran bola logam dan semakin jauh jaraknya dari tanah, maka akan semakin tinggi pula potensial maksimum yang dapat dicapai. Jenis muatan (positif atau negatif) dapat dikontrol dengan menentukan material yang digunakan untuk sabuk dan rolernya. Potensial tertinggi dalam bola juga dapat dicapai dengan menggunakan sumber tegangan eksternal untuk memuatkan sabuk secara langsung, daripada hanya mengandalkan efek triboelektrik.

Terminal generator Van de Graaff tidak selalu harus berbentuk bola sempurna agar dapat bekerja. Faktanya, bentuk yang paling optimum adalah bola dengan kurva melengkung ke dalam di bagian lubang tempat sabuk **dimasuki**. Terminal yang melingkar ini meminimalisasi medan elektrik di sekitarnya, sehingga memungkinkan potensial yang lebih besar tercapai tanpa memicu ionisasi udara atau gas dielektrik yang menyelubunginya. Karena generator Van de Graaff dapat memasok arus kecil pada hampir semua tingkatan potensial elektrik, alat ini merupakan contoh dari sumber arus yang hampir ideal.

Potensial maksimal yang dapat dicapai kira-kira setara dengan radius bola $R$ dikalikan dengan medan elektrik $E_{\text{maks}}$, di mana pelepasan koronal mulai terbentuk pada gas di sekitarnya. Untuk temperatur dan tekanan standar udara (STP), gangguan listrik diperkirakan sebesar 30 kV/cm. Oleh karena itu, elektrode bola yang dipoles dengan diameter 30 cm diharapkan dapat membentuk tegangan $V_{\text{maks}} = R \cdot E_{\text{maks}}$ hingga pada 450 kV. Hal ini menjelaskan mengapa generator Van de Graaff sering kali dibuat dengan diameter sebesar mungkin.^[24]

Kegunaan dari Akselerator Partikel

Motivasi inisial dari pengembangan generator Van de Graaff adalah sumber dari tegangan tinggi untuk mengakselerasi partikel untuk eksperimen fisika nuklir.^[1] beda dari tingginya potensial antara permukaan terminal dan tanah menghasilkan medan elektrik. Dimana sebuah sumber ion diletakkan dekat permukaan dari bola (biasanya dekat bolanya itu) dengan medannya akan berakselerasi partikel bermuatan sebagai tanda yang benar dari bola. Dengan insulasi generator dengan gas bertekanana, gangguan tegangan bisa dinaikan, meningkatkan energi maksimum dari partikel yang berakselerasi.^[24]

Akselerator Tandem

Akselerator partikel sinar Van de Graaff sering digunakan pada "tandem" dengan konfigurasi terminal potensial yang tinggi diletakkan pada bagian tengah mesin. Ion bermuatan negatif akan dimasukkan diakhir ujung. Ketika partikel-partikel mencapai terminal, mereka akan dihilangkan beberapa elektronnya untuk dijadikan muatan yang positif, dan kemudian diakselerasikan dengan gaya repulsif menjauh dari terminal. Konfigurasi ini menghasilkan dua akselerasi untuk tiap generator Van de Graaff dan memiliki kelebihan tambahan untuk meninggalkan instrumen sumber ion yang kompleks yang bisa diakses dekat potensi tanah.^[24]

Pelletrons

Pelettron adalah sebuah gaya dari akselerator tandem yang didesain untuk mengatasi kekurangan menggunakan sabuk untuk mentransfer muatan menuju terminal yang lebih tinggi. Pada pelletron, sabuk bisa diganti dengan "pelet", bola logam digabung dengan gabungan insulasi ke rantai. Rantai ini berguna sama fungsinya dari sabuk pada akselerator Van de Graaff tradisional - untuk menyampaikan muatan ke terminal tegangan tinggi. Bola bertegangan yang berbeda dengan durabilitas lebih tinggi dari rantai bermaksud bahwa tegangan tinggi bisa dicapai pada terminal tegangan tinggi, dan muatan bisa disampaikan ke terminal lebih cepat. ^[24]

Kegunaan Generator Media Hiburan dan Edukasional

Generator Van de Graaff berinsulasi udara terbesar di dunia, dibangun oleh Dr. Van de Graaff pada tahun 1930-an, sekarang dipajang secara permanen di Museum Sains, Boston. Dengan kumpulan 4.5 m bola aluminium berdiri pada tiang setinggi 6.7 m, generator ini bisa menghasilkan 2 MV (2 juta volt). Menunjukkan bahwa menggunakan generator Van de Graaff dan beberapa Koil Tesla dikonduksikan dua hingga tiga kali sehari.^[25] Banyak museum sains, seperti Museum Sains dan Energi Amerika, memiliki generator Van de Graaff kecil, dan mengeksploit kualitas menghasilkan statik untuk menciptakan "petir" atau membuat rambut orang-orang berdiri. Generator Van de Graaff juga digunakan di sekolah-sekolah dan pertunjukan sains.^[26]

Perbandingan dengan Generator Elektrostatik Lain

Mesin elektrostatik yang lain seperti Mesin Wimshurst atau Mesin Bonetti bekerja sama seperti Van de Graaff; muatan bisa dipindahkan dengan plat berjalan, disk, atau silinder elektrode bertegangan tinggi. Untuk generator-generator ini, saat pelepasan koronal dari dari bagian logam yang tak terlindungi pada potensi tinggi dan insulasi yang buruk menghasilkan tegangan yang kecil. Pada generator elektrostatik, tarif rata-rata disalurkan (arus elektrik) pada elektrode tegangan tinggi sangat kecil. Setelah mesin dimulai, tegangan pada elektrode terminal bertambah hingga arus bocoran sama dengan rata-rata tarif salurannya. Oleh karena itu, kebocoran dari terminal ditentukan tegangan maksimum dapat dicapai. Pada generator Van de Graaff, sabuk menyalurkan muatan menuju bagian dalam sebuah elektrode bola yang kosong. Hal ini adalah bentuk ideal untuk meminimalisir kebocoran dan pelepasan koronal, maka generator Van de Graaff bisa menghasilkan tegangan yang tinggi. Hal ini mengapa desain Van de Graaff telah digunakan pada semau akselerator partikel elektrostatik. Secara umum, semakin besar diameter dan halusnya bola, maka semakin besar tegangan yang bisa dicapai.^{[27][dibutuhkan verifikasi sumber][butuh sumber yang lebih baik]}

Paten-paten

• U.S. Patent 1.991.236 — "Generator Elektrostatik"
• U.S. Patent 2.922.905 — "Aparatus Untuk Mengurangi Muatan Elektron Pada Akselerator Ion Positif"

Lihat Juga

• Pengangkatan Elektrostatik
• Kandang Faraday
• Logam Pintalan – Proses las logam untuk membuat bola logam tipis
• Koil Oudin
• Koil Tesla

Referensi

Pranala luar

• How Van de Graaff Generators Work Diarsipkan 2022-12-02 di Wayback Machine. with how to build, HowStuffWorks
• Interactive Java tutorial - Van de Graaff Generator Diarsipkan 2022-12-08 di Wayback Machine. National High Magnetic Field Laboratory
• Tandem Van de Graaff Accelerator Diarsipkan 2023-04-23 di Wayback Machine. Western Michigan University Physics
• Dr. Van de Graaff's huge machine at Museum of Science Diarsipkan 2012-08-25 di Wayback Machine.
• Van de Graaff Generator Frequently Asked Questions Diarsipkan 2004-06-04 di Wayback Machine., Science Hobbyist
• Illustration from Report on Van de Graaff Generator From "Progress Report on the M.I.T. High-Voltage Generator at Round Hill" Diarsipkan 2015-05-09 di Wayback Machine.
• Nikola Tesla, "Templat:DOClink". Scientific American, March, 1934. (.doc format)
• Paolo Brenni,The Van de Graaff Generator - An Electrostatic Machine for the 20th Century Diarsipkan 2009-11-01 di Wayback Machine. Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 63 (1999)
• Charrier Jacques "Le générateur de Van de Graaff Diarsipkan 2010-03-25 di Wayback Machine.". Faculté des Sciences de Nantes.
• Hellborg, Ragnar, ed. Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications [N.Y., N.Y.: Springer, 2005]. Tersedia di : https://books.google.com/books?id=tc6CEuIV1jEC&pg=PA51&lpg=PA51&dq=electrostatic+accelerator+book Diarsipkan 2023-07-30 di Wayback Machine.
• American Physical Society names ORNL's Holifield Facility historic physics site Diarsipkan 2023-06-02 di Wayback Machine.