Esperimenti con un generatore Van de Graaff

Una sorgente costante di corrente continua ad alta tensione – quale un generatore di Van de Graaf è – si presta a numerosi esperimenti, alcuni dei quali di grande spettacolarità. Dato che oggi è possibile acquistare un generatore Van de Graaf, oppure autocostruirsene uno come descritto in un altro articolo di questo sito, vale la pena illustrare qui alcune delle divertenti esperienze che permette di eseguire e che ho sperimentato numerose volte con il mio laboratorio itinerante Sbalordiscienza e, in precedenza, con un apparecchio didattico dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

Il generatore Van de Graaff è una comune macchina elettrostatica che produce tensioni di 100.000 V o più sulla sua sfera. La tensione è una misura dell’energia per unità di carica. Quanto una tensione è elevata può essere stimato da quanto lontano fa scoccare una scintilla nell’aria. Cariche statiche che scoccano a centimetro o giù di lì – come con un elettroforo – corrispondono a 10.000 – 30.000 V. Con la macchina Van de Graaff, le scintille possono scoccare da distanze finanche di 15 cm.

Anche se la tensione è alta, la carica totale trasferita è così piccola che si avverte poco dolore se una di queste scintille raggiunge il tuo corpo. Chiunque abbia lavorato con queste macchine ha ricevuto molti di questi shock. Per ridurre il numero di shock che ricevi, tieni tutte le parti del tuo corpo a un metro di distanza dalla sfera. Quando si accende o spegne la macchina, fai toccare la sfera di messa a terra sulla sfera del generatore, che può rimanere carica per molti minuti.

Esperimento n° 1: Fulmini

Se un oggetto sufficientemente arrotondato viene avvicinato a circa 2,5 cm dal terminale superiore ad alta tensione di un generatore Van de Graaff di tipo didattico (cioè da 200-250 kV), si può vederlo colpire da una scintilla: in pratica, quando si produce una scarica di questo tipo, la zona interessata viene rapidamente trasformata da buon isolante, come era in condizioni normali, in un conduttore abbastanza efficiente, e la scintilla che scocca porta alla scarica totale del terminale in questione.

Il collegamento elettrico necessario per creare un fulmine in miniatura.

È appunto la riduzione del potenziale del terminale superiore che consente all’aria della zona di recuperare la sua capacità isolante, e il terminale viene di nuovo caricato dalla cinghia del generatore. Se un oggetto, nella cui forma sono presenti punti e spigoli vivi, viene avvicinato al terminale superiore (in particolare a una distanza inferiore a 2-3 volte il diametro del terminale stesso), tende ad assorbire la carica per il cosiddetto “effetto corona” ed il potenziale del terminale diminuisce.

Dunque, il più classico esperimento realizzabile con un generatore di Van de Graaff è la produzione di fulmini in miniatura. In pratica, si collega il filo di una sfera grande fissa di scarica (una sfera conduttrice venduta a parte dai produttori, dotata di una base isolante da cui esce un filo) alla base del Van de Graaf, e poi si avvicina questa sfera a quella del generatore fino a 4-5 cm di distanza, quando iniziano a scoccare fulmini. Si può poi far vedere cosa succede se si prova a frapporre in mezzo un materiale.

La tipica sfera grande fissa di scarica (a sinistra) pronta per creare i fulmini.

Se il tuo generatore Van de Graaff non sembra caricarsi correttamente, assicurati che sia pulito. Evita oli o detriti. Puoi anche usare un asciugacapelli per rimuovere l’umidità. Esegui questo rituale ogni volta che vuoi usare un generatore di Van de Graaff. Sarai stupito dalla differenza che può fare. Potresti voler spegnere tutte le luci e far funzionare il generatore al buio. Vedrai scintille bluastre-viola ovunque tu abbia perdite. Cerca di eliminare le perdite con nastro adesivo, resina epossidica o silicone.

Esperimento n° 2: Capelli sollevati

La potenza erogabile da un generatore Van de Graaff di questo tipo è sufficiente per impartire ad una persona una carica dal potenziale notevole, di ben 30.000 V superiore alla tensione di ionizzazione dell’aria alla pressione atmosferica. Perciò, fra l’altro, sarà possibile vedere i capelli della persona stessa, se asciutti, drizzarsi ed irrigidirsi fra le risate dei presenti. L’effetto è assai evidente nelle persone con capelli lunghi, in particolare se biondi, ma anche ad es. in certi cani in braccio al padrone.

Per sottoporsi a questo esperimento, la persona deve mettersi in piedi su una piccola base di legno sostenuta, ai quattro angoli, da altrattanti piccoli perni in materiale isolante anche ad alte tensioni (ad esempio termoplastico). A questo punto, la persona può toccare il terminale ad alta tensione del generatore elettrostatico senza prendere la scossa e, dopo alcuni secondi, i suoi capelli lentamente si sollevano. Finito l’esperimento, la persona solleva le mani dal terminale e scende.

Procedura per effettuare l’esperimento dei capelli sollevati.

Quando la persona che si è prestata all’esperimento (che non deve avere pacemaker) scende dal supporto isolante, o tocca un oggetto collegato a terra, subirà una scossa elettrica abbastanza dolorosa, dovuta alla carica del potenziale che aveva accumulato. Tale scossa, comunque, non risulta pericolosa per una persona in normali condizioni di salute. È però mitigabile se l’operatore tocca la persona con una sfera conduttrice posta in cima a una corta asta semi-isolante prima che scenda dalla pedana.

Ovviamente, affinché i capelli si sollevino è fondamentale che la persona sia ben isolata dalla terra, e possibilmente che i capelli siano ben puliti e asciutti. Se la carica non può accumularsi sulla persona, i suoi capelli non si alzeranno. Poiché i follicoli piliferi della persona vengono caricati allo stesso potenziale, cercano di respingersi a vicenda. Questo è il motivo per cui i capelli in realtà si alzano. Non farebbe differenza se la polarità del generatore di Van de Graaff fosse invertita.

Quando la macchina è in funzione, sentirai leggermente una sensazione di formicolio – ma nessun dolore – dato che i peli delle braccia e delle gambe vengono sollevati. Non togliere le mani dal terminale superiore del generatore mentre la macchina è in funzione, o le scintille salteranno alla tua mano mentre ti allontani. Dopo che la macchina ha funzionato per circa 30 secondi, scuoti la testa per sciogliere i capelli, ma non rimuovere la mano dalla cupola finché l’operatore non ha scaricato il terminale.

A destra, l’operazione di scarica della sfera carica dopo l’uso. (fonte: Sbalordiscienza)

Una variante divertente di questo esperimento, che può precedere l’esperienza vera e propria con le persone in carne e ossa, prevede la realizzazione di una sorta di semplice parrucca fatta con striscioline di carta legate tutte fra loro a un’estremità. Attaccando con un po’ di scotch questa parrucca al centro della sommità della sfera del generatore, una volta accesa la macchina si vedranno queste striscioline sollevarsi e allontanarsi dalla sfera, come poi succederà con i capelli delle persone.

Esperimento n° 3: Palline animate

Uno dei più interessanti esperimenti che si possono fare con un generatore Van de Graaff è quello delle “sfere animate”. In pratica, 5 o 6 piccole sfere di midollo di sambuco o di altro simile materiale leggero vengono coperte da una superficie conduttrice di fuliggine o di grafite, o semplicemente di uno strato di carta stagnola. Esse sono poi sistemate in una sorta di gabbia, quale ad esempio un cilindro di plastica munito alle estremità di due coperchi di metallo o ricoperti di stagnola.

L’esperimento delle palline animate (fonte: Sbalordiscienza)

Detti coperchi vengono collegati rispettivamente ai due terminali della macchina di Van de Graaff: la sfera superiore e un terminale posto sulla base. Non appena questa entra in funzione, il campo elettrostatico esercitato dal coperchio superiore attrae le leggere sferette, le quali saltano verso di esso. Giunte in contatto, gli cedono il loro carico di elettroni, dopodiché, non più attratte, cadono in basso. Il ciclo si ripete con continuità, finché ai due coperchi viene applicata la tensione della macchina.

Esperimento n° 4: Vento elettrico

Se invece si àncora un sottilissimo ago da cucire a un supporto isolante e lo si collega mediante un normale cavo conduttore al terminale superiore del generatore Van de Graaff, delle molecole di aria ionizzata vengono proiettate dalla punta dell’ago stesso come se fluissero, sotto forte pressione, da un vero e proprio ugello. Questo getto è così forte da spegnere una candela – come mostravo agli spettatori – ma può venire anche usato per azionare un semplice motore “a reazione”.

Si taglia, da un pezzetto di leggera foglia di alluminio, una sorta di svastica a quattro punte con le estremità molto sottili. Quindi si crea al centro della croce un piccolo incavo con la testa di uno spillo, in maniera da creare un alloggiamento per il perno che deve essere al centro, in modo che la “svastica” stia in equilibrio, perfettamente orizzontale, quando si pone sul perno stesso, rappresentato da una punta di spillo verticale verso l’alto, mantenuta in questa posizione da una piccola base di cartone.

Un esempio di semplice motore elettrostatico che può girare con un Van de Graaff.

In tali condizioni, la svastica è libera di ruotare su questo perno: anzi, farà ciò con grande energia, non appena lo spillo sarà stato collegato al terminale ad alta tensione della macchina di Van de Graaff. Il fenomeno si può in pratica spiegare come un vero e proprio effetto di reazione, comparabile con quello del motore di un aereo a getto: l’aria ionizzata portata indietro dalle quattro punte della svastica costringe quest’ultima a spostarsi in direzione opposta, ossia in avanti.

Esperimento n° 5: Lampade fluorescenti

I tubi fluorescenti – ovvero i tubi al neon – tenuti a un’estremità con la mano, brilleranno di una luce abbastanza forte se l’altra estremità di essi sarà posta in contatto con il terminale ad alta tensione del generatore Van de Graaff. Nel caso in cui l’ambiente in cui si conduce l’esperimento non sia troppo illuminato, sarà perfino possibile vedere nelle lampade a filamento il prodursi di luminescenze di vari colori, in funzione del tipo di gas e dell’atmosfera che regna nel bulbo.

Come avvicinare una lampadina fluorescente con una cordicella. (fonte: Sbalordiscienza)

In realtà, nei miei esperimenti ho trovato che è possibile far illuminare una lampadina fluorescente compatta tenendola appesa a una cordicella e avvicinandola al terminale ad alta tensione del generatore. Anche in questo caso il buio favorisce nettamente la visibilità del fenomeno, ma il non dover toccare la lampadina con le mani e la minore fragilità delle lampadine fluorescenti compatte rispetto ai tubi al neon rende quest’opzione alquanto preferibile in certe situazioni.

Esperimento n° 6: Gabbia di Faraday

Quando il dimostratore mette una gabbia metallica sul suo braccio, è protetto dalle cariche. Una gabbia metallica a maglie agisce come uno schermo di Faraday – noto come “gabbia di Faraday” – e genera campi elettrici in modo tale da non farvi viaggiare cariche. Pertanto, ci si avvolge la gabbia attorno al braccio e la si avvicina al generatore facendo vedere come essa ci protegga dalla potente scarica. La scintilla salta verso il braccio ma colpisce lo schermo, per cui non sentirai niente!

Un elettroscopio a foglia in una gabbia di Faraday vicino a un Van de Graaff.

In alternativa, collocate un elettroscopio entro circa mezzo metro del generatore Van de Graaff. A questo punto si può accendere la macchina, osservare e registrare i risultati. Infine, si può spegnere la macchina, scaricare a terra il suo terminale e l’elettroscopio in modo che siano completamente scaricati. Poi si può porre l’elettroscopio in una gabbia di Faraday e ripetere l’esperimento appena descritto, dimostrando la caratteristica di schermatura del campo elettrico da parte dei conduttori.

Idee per altri possibili esperimenti

Sarà perfino possibile produrre un’aurora boreale in miniatura facendo bollire dell’acqua distillata in un piccolo fiasco di vetro, sino a quando il vapore non avrà scacciato dal recipiente tutta l’aria e quindi applicando immediatamente un tappo a tenuta ermetica. Dopo che il vapore in sospensione si sarà condensato in acqua, l’aria rimasta nel recipiente, abbastanza rarefatta, presenterà una luminescenza verdastra e rossa quando il fiasco è portato a contatto con il generatore.

Ci sono milioni di altri esperimenti interessanti che puoi eseguire con un generatore di Van de Graaff didattico. Anche le bolle di sapone sono interessanti per giocare con il generatore di Van de Graaff. Inizialmente sono attratte dal generatore e fluttuano verso di esso; quando vengono caricate dal generatore di Van de Graaff, galleggiano via a causa della repulsione. Ci sono moltissime cose divertenti che puoi fare con il tuo generatore Van de Graaff. Usa la tua immaginazione!

Il bizzarro comportamento delle bolle di sapone vicino a un generatore Van de Graaff.

Gli sperimentatori in possesso di un’attrezzatura per fare il vuoto spinto possono tentare la costruzione e l’impiego di un semplice acceleratore lineare di particelle del tipo usato nelle prime ricerche di fisica nucleare. Quest’ultimo progetto, tuttavia, è piuttosto impegnativo, quasi comparabile alla costruzione dilettantistica di un ciclotrone o di un grosso modello di razzo (missile). Tuttavia, si tratta di progetti che sono alla portata di gruppi di studiosi interessati a problemi simili.

In pratica è possibile realizzare, per un esperto, versioni ad alta potenza del Van de Graaff alimentando le punte che servono ad alimentare la cinghia con un potenziale fra i 5.000 V ed i 10.000 V, ottenuto da un opportuno complesso elevatore a valle di un raddrizzatore di corrente; nonché usando, ad entrambe le estremità della cinghia, pulegge di metallo delle quali quella superiore è isolata dal terminale ad alta tensione. Queste versioni ad alta potenza, però, non sono un giocattolo!

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