Van-de-Graaff-Generator

Grundidee und Bedeutung

Ein Van-de-Graaff-Generator, auch Bandgenerator genannt, ist eine Apparatur zur Erzeugung hoher elektrischer Gleichspannungen. Er gehört zu den elektrostatischen Generatoren und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, allerdings mit sehr geringem Wirkungsgrad. Neben der Influenzmaschine und dem Tesla-Transformator wird er besonders häufig für physikalische Lehrexperimente zur Hochspannungserzeugung verwendet. Eine weitere Anwendung ist der Van-de-Graaff-Beschleuniger.

Der Generator wurde nach dem amerikanischen Physiker Robert Van de Graaff benannt, der ab 1929 Bandgeneratoren entwickelte. Das Grundprinzip besteht darin, elektrische Ladungen mit einem umlaufenden isolierenden Band in eine Metallhohlkugel zu transportieren. Dort sammelt sich die Ladung, sodass zwischen der Kugel und der Umgebung eine sehr hohe Spannung entsteht.

Bauteile und Aufbau

Ein typischer Van-de-Graaff-Generator besteht aus:

• einer Hochspannungsquelle,
• einer Sprühelektrode beziehungsweise einem Metallkamm,
• einem endlosen Band aus elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel Gummi,
• einer großen Metallhohlkugel,
• einem mit der Kugel verbundenen Ladungsabnehmer.

Das Band läuft über Rollen um. Es kann durch Reibung, durch Aufsprühen von Ladung über eine Koronaentladung oder durch eine externe Spannungsquelle elektrisch geladen werden. Die Ladung wird durch die Bewegung des Bandes in das Innere der großen Metallhohlkugel transportiert. Dort streift eine leitend mit der Kugel verbundene Bürste die Ladung vom Band ab.

Eine kleinere, schwenkbare Kugel kann mit dem Fuß des Geräts und damit mit dem Erdpotential verbunden sein. Sie dient als Gegenpol, um die Schlagweite von Funkenentladungen zu bestimmen und die Apparatur gefahrlos zu entladen. Für die eigentliche Funktion des Generators ist diese kleinere Kugel nicht erforderlich.

Ladungstransport und Spannungsaufbau

Ladung mit positiver oder negativer Polarität gelangt auf das Band. Bei Geräten ohne externe Spannungsquelle entsteht sie durch Reibungselektrizität beim Abrollen des Bandes von der unteren Rolle. Die dafür verwendeten Materialien von Band und Rollen müssen passend gewählt werden. Bei extern gespeisten Geräten wird die Ladung durch eine Spannungsquelle und eine Koronaentladung mit einem Metallkamm auf das Band oder auf voneinander isolierte Metallstege des Bandes aufgesprüht. Abhängig von den Materialien und der Ausführung wird die Hohlkugel positiv oder negativ geladen.

Im Inneren der Kugel herrscht wegen ihrer Wirkung als Faradayscher Käfig ein feldfreier Raum. Deshalb kann die obere Bürste Ladung leichter auf die Kugel übertragen. Wäre die Bürste außerhalb angebracht, würde das stärker werdende elektrische Feld die Übertragung von Ladungsträgern zunehmend behindern.

Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab. Jede neu in das Kugelinnere gebrachte Ladungsmenge wandert deshalb zur Oberfläche, unabhängig davon, wie viel Ladung dort bereits vorhanden ist. So kann immer mehr Ladung in die Kugel gelangen. Das Band muss beim Transport gegen die elektrostatische Anziehung zwischen der Ladung und dem Erdpotential mechanische Arbeit verrichten. Diese Arbeit wird als elektrische Feldenergie zwischen der oberen Kugel und ihrer Umgebung beziehungsweise der Erde gespeichert.

Der Zusammenhang zwischen Ladung, Kapazität und Spannung lautet:

U = Q/C

Dabei ist U der gegenüber dem Erdpotential steigende Potentialunterschied, Q die konstante Ladung auf einem Bandabschnitt und C die beim Hochlaufen abnehmende Kapazität dieses Bandabschnitts gegenüber der Erde. Beim Rücklauf nähert sich das Band wieder dem Erdpotential, seine Spannung sinkt, und es kann erneut Ladung aufnehmen.

Bei ständigem Betrieb stellt sich ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Ladung und Ladungen ein, die über die Luft oder andere Wege abfließen. Der mechanisch erzeugte Ladestrom ist vergleichsweise klein. Die erreichbare Spannung wird daher vor allem durch den Entladestrom über die schwach leitende Luft begrenzt. In feuchtem Klima funktionieren Bandgeneratoren deshalb nur sehr schlecht.

Mit entsprechend großen Geräten lassen sich Spannungen von mehreren Millionen Volt erzeugen. Große Generatoren für Beschleuniger werden meist in einen Drucktank eingebaut, der mit einem geeigneten trockenen Gas, zum Beispiel Schwefelhexafluorid, gefüllt ist. Eine kugelförmige oder zumindest abgerundete Metalloberfläche mit glatten Flächen verringert Ladungsverluste, weil dadurch Spitzenentladungen an scharfen Kanten und Spitzen vermieden oder reduziert werden.

Aus extern gespeisten Bandgeneratoren wurde das Pelletron entwickelt. Es verwendet eine Isolierstoff-Kette, die metallene Rohrstücke oder Kugeln voneinander isoliert.

Sicherheit und typische Anwendungen

Bei kleinen Bandgeneratoren ist der Entladestrom durch den menschlichen Körper beim Annähern an die obere Kugel nur kurzzeitig sehr hoch und deshalb meist ungefährlich. Eine erhebliche Gefahr entsteht jedoch, wenn mit dem Generator hochspannungsfeste Kondensatoren, beispielsweise Leidener Flaschen, geladen werden. Die gespeicherte elektrische Ladung und Energie können dann so groß werden, dass ein elektrischer Schlag gesundheitsschädlich oder lebensgefährlich ist.

Der größte luftisolierte Van-de-Graaff-Generator der Welt ist der Round Hill Generator. Robert Van de Graaff baute ihn in den 1930er Jahren; heute ist er im Bostoner Museum of Science ausgestellt. Zwei verbundene große Aluminiumkugeln auf hohen Säulen ermöglichen Spannungen von 2 MV für elektrostatische Experimente.

Van-de-Graaff-Generatoren werden außerdem in Schulen und Wissenschaftsmuseen eingesetzt. Genannt werden unter anderem das American Museum of Science and Energy, das Swiss Science Center Technorama und Science City in Kolkata. Dort wird die elektrostatische Aufladung genutzt, um Blitze zu erzeugen oder die Haare von Menschen aufstehen zu lassen.

Abgebildete Varianten und Bauteile

Die Bildunterschriften zeigen einen Van-de-Graaff-Generator für Schulen, einen Generator ohne Hohlkugel sowie den oberen Abnahmekamm und den unteren Aufgabekamm. Die Abbildungen veranschaulichen damit sowohl vollständige Geräte als auch zentrale Stellen, an denen Ladung auf das Band gebracht beziehungsweise von ihm abgenommen wird.