밴더그래프 발전기

3. 작동 원리

간단한 밴더그래프 발전기는 절연체 벨트, 금속 롤러, 전극, 금속 구형 덮개로 구성된다. 벨트는 마찰전기 효과로 인해 롤러와 마찰하여 전하를 발생시킨다. 서로 다른 재질의 롤러는 전자 친화도 차이로 인해 전자를 주고받으며, 이로 인해 벨트는 한 종류의 전하를 띠게 되고 롤러는 반대 종류의 전하를 띠게 된다.

3. 1. 탠덤 가속기

3. 2. 펠레트론

4. 구조

간단한 밴더그래프 발전기는 고무와 같이 유연한 절연체로 된 벨트가 서로 다른 재질의 금속 롤러에 걸려 있는 구조를 갖고 있다. 윗쪽 금속은 금속으로 된 구형 덮개가 감싸고 있다.^[62] 그림의 (2)번과 (7번)의 두 전극은 뾰족한 형태의 금속 핀으로 롤러 근처에 놓여 대전된다. (2)번 전극은 덮개와 연결되어 있고, (7)번 전극은 접지되어 있다.

밴더그래프 발전기는 마찰전기를 일으키는 방식으로 대전된다. 서로 다른 금속으로 된 롤러의 전자 친화도가 다르기 때문에 롤러가 돌아가며 발생된 정전기 전하는 음전하와 양전하로 나뉘어 몰리게 된다. 윗쪽 롤러의 전하는 다시 근처의 전극을 통해 덮개에 축적된다. 덮개의 모양은 꼭 구형일 필요는 없지만 전하는 뾰족한 곳에 몰리는 성질을 지니므로 되도록 부드러운 곡면이어야 한다.

왼쪽 모식도에 나타낸 것은 매우 단순한 공기 절연식 반 데 그라프 발전기이다. 서로 다른 재질로 만들어진 2개의 롤러(그림의 (3), (6))에 고리 모양의 벨트를 걸어 모터로 회전시킨다. 벨트의 재질에는 고무나 비단 등 절연성이 있고 유연한 물질을 사용한다. 롤러 하나(3)는 중공의 금속 구 (1) 안에 설치되고, 다른 쪽 (6)은 기둥 하부에 놓인다.^[35] 각각의 롤러 근처에는 뾰족한 이빨을 가진 빗살 모양의 전극(그림의 (2), (7))이 갖춰져 있으며, 벨트와 닿지 않을 정도의 거리가 유지된다. 금속구 안에 있는 빗살형 전극 (2)는 구와 전기적으로 연결되어 있고, 하부 전극 (7)은 접지되어 있다.

전하 발생에는 마찰 대전(이종 물질을 서로 접촉시키면 전하 이동이 일어나는 현상)을 이용한다. 그림의 예에서는 고무 벨트 뒷면이 상부 아크릴 롤러 (3)와 마찰되어 음으로 대전되고, 롤러는 반대로 양으로 대전된다. 음전하는 벨트 회전에 따라 하방으로 보내지는 한편, 양전하는 롤러에 계속 축적된다. 양으로 대전된 롤러 (3)는 근접하는 빗살형 전극 (2)에 대해 전장을 미친다. 빗 이빨이 날카로우면 그 선단 위치에서 전장은 매우 강해져, 공기 분자를 이온화할 정도가 된다. 이온화에 의해 생긴 전자는 고무 벨트 표면으로, 양이온은 빗살형 전극으로 끌어당겨진다. 전극 (2)에 닿은 양이온은 전극으로부터 전자를 받아 중화되고, 그 결과 전극 및 금속구 (1)의 전자 수는 감소한다. 금속구가 얻은 순 양전하는 구각 외면에 축적되기 때문에, 구각 내부에는 전장이 만들어지지 않는다. 그 이유는 와 마찬가지로^[36] 가우스의 법칙으로 이해할 수 있다. 축적된 전하가 구 내부에 영향을 미치지 않으므로, 빗살형 전극 (2)에서의 정전 유도 과정은 계속적으로 진행되어, 구각에는 전하가 계속 축적된다.

5. 응용

밴더그래프 발전기는 핵물리학 연구에서 입자 가속을 통해 원자핵 구조 및 반응을 연구하는 데 사용된다.^[26] 또한, 방사선 치료와 같은 의료 분야와 재료 분석, 이온 주입 등의 산업 분야에서도 활용된다.^[27]

미국 과학 및 에너지 박물관, 보스턴 과학 박물관과 같은 많은 과학 박물관에서는 소규모 밴더그래프 발전기를 전시하여 정전기 현상을 시연하고, "번개"를 만들거나 사람들의 머리카락을 곤두서게 하는 데 사용한다. 이러한 전시는 교육 및 과학 대중화에 기여한다.^[26][27] 밴더그래프 발전기는 학교와 과학 쇼에서도 교육용으로 널리 사용된다.^[27]

보스턴 과학 박물관에는 1930년대 밴더그래프가 제작한 세계 최대의 공기 절연 밴더그래프 발전기가 영구 전시되어 있다. 4.5m 지름의 두 개의 연결된 알루미늄 구가 약 6.71m 높이의 기둥 위에 설치되어 있으며, 최대 2 MV(2백만 볼트)의 전압을 얻을 수 있다. 이 발전기를 이용한 쇼는 하루에 두세 번 진행된다.^[26]

6. 장단점

밴더그래프 발전기는 다른 정전기 발전기에 비해 높은 전압을 생성할 수 있다는 장점이 있지만, 몇 가지 단점을 가진다.

휘머스트식이나 보네티식^[60]과 같은 고전적인 정전기 발전기는 밴더그래프 발전기보다 더 큰 전류를 쉽게 얻을 수 있고, 양전하와 음전하를 모두 발생시킬 수 있다. 그러나 밴더그래프 발전기는 높은 전압을 얻을 수 있다.

밴더그래프 발전기가 낼 수 있는 최대 전위차는 덮개의 지름과 전기장의 크기를 곱한 값이다. 그러나 덮개의 지름이 커지더라도 일정 전압 이상이 되면 주변 기체와 코로나 방전을 일으켜 그 이상 올라갈 수 없다. 표준 온도 압력에서 대기의 절연파괴 전압은 약 30 kV/cm이다. 따라서 지름 30 cm 가량의 밴더그래프 발전기라면 약 450 kV에서 공기와 코로나 방전을 일으킨다.

6. 1. 장점

6. 2. 단점

• 높은 전압으로 인한 위험: 매우 높은 전압을 발생시키므로 다룰 때 주의해야 한다. 잘못 다루면 감전 사고가 발생할 수 있다.
• 습도에 민감: 습도에 민감하게 반응한다. 습도가 높으면 공기 중으로 전하가 쉽게 방전되어 성능이 저하될 수 있다. 이는 표준 온도 압력에서 대기의 절연파괴 전압과 관련이 있다.^[62]
• 코로나 방전: 덮개의 지름이 커지더라도 일정 전압 이상이 되면 주변 기체와 코로나 방전을 일으켜 전압이 더 이상 올라가지 않는다.

7. 기타

보스턴 과학 박물관에는 1930년대 밴더그래프가 제작한 세계 최대의 공기 절연 밴더그래프 발전기가 전시되어 있다.^[26] 약 6.71m 높이의 기둥 위에 4.5m 크기의 두 개의 연결된 알루미늄 구가 있는 이 발전기는 종종 2 MV(2백만 볼트)를 얻을 수 있다. 밴더그래프 발전기와 여러 테슬라 코일을 사용한 쇼는 하루에 두세 번 진행된다. 미국 과학 및 에너지 박물관과 같은 많은 과학 박물관에서는 소규모 밴더그래프 발전기를 전시하고 있으며, 정전기를 생성하는 특성을 활용하여 "번개"를 만들거나 사람들의 머리카락을 곤두서게 한다. 밴더그래프 발전기는 학교와 과학 쇼에서도 사용된다.^[27]

8. 특허

• https://www.google.com/patents/US1991236 US1991236 - 정전 기전기^[1]
• https://www.google.com/patents/US2922905 US2922905 - 양전자 가속기의 전자 부하 감소를 위한 장치^[2]

참조

_[1] 간행물 The Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations http://web.ihep.su/d[...] 2015-08-31
_[2] 간행물 Hair-raising technique detects drugs, explosives on human body https://www.science.[...] 2022-05-10
_[3] 간행물 On a self-acting apparatus for multiplying and maintaining electric charges, with applications to the Voltaic Theory https://books.google[...] 2015-09-01
_[4] 서적 Electrical Influence Machines https://archive.org/[...] Whittaker and Co. 1890
_[5] 특허 US patent no. 776997, Juan G. H. Burboa ''Static electric machine'' https://patents.goog[...] 1904-12-06
_[6] 간행물 A device for obtaining high potentials 1928
_[7] 웹사이트 Robert Jemison Van de Graaff http://chem.ch.huji.[...] 2006-08-31
_[8] 간행물 Minutes of the Schenectady Meeting September 10, 11 and 12, 1931: A 1,500,000 volt electrostatic generator. American Physical Society (APS) 1931-11-15
_[9] 문서 Niels Bohr's Times Oxford University Press 1991
_[10] 문서 Van de Graaff's Generator CRC Press 1993
_[11] 간행물 Van de Graaff's generator 1990-07
_[12] 간행물 This Month in Physics History: February 12, 1935: Patent granted for Van de Graaff generator https://www.aps.org/[...] 2022-05-10
_[13] 간행물 A profile of John Trump, Donald's accomplished scientist uncle https://physicstoday[...] 2022-05-10
_[14] 웹사이트 Overview of Accelerators https://acceleratori[...] CERN 2022-05-10
_[15] 서적 Pittsburgh: A New Portrait https://books.google[...] University of Pittsburgh Press
_[16] 웹사이트 Van de Graaff particle accelerator, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Pittsburgh, PA, August 7, 1945 http://explorepahist[...] WITF-TV 2015-02-19
_[17] 뉴스 Brian O'Neill: With Forest Hills atom smasher's fall, part of history tumbles https://www.post-gaz[...] 2015-01-25
_[18] 웹사이트 Atom smasher in Forest Hills torn down; restoration promised https://www.post-gaz[...] 2022-01-17
_[19] 문서 Energy Stabilization of Electrostatic Accelerators John Wiley and Sons 1996
_[20] 웹사이트 American Physical Society names ORNL's Holifield Facility historic physics site https://www.ornl.gov[...] Oak Ridge National Laboratory 2016-07-25
_[21] 웹사이트 Particle Accelerator http://www.anu.edu.a[...] 2002-11
_[22] 문서 1982
_[23] 간행물 Curtain falls on Britain's nuclear structure facility https://www.nature.c[...] Nature Publishing Group 2024-02-06
_[24] 웹사이트 Van de Graaff Generator – MagLab https://nationalmagl[...] National High Magnetic Field Laboratory 2022-05-10
_[25] 웹사이트 Electrostatic Accelerators https://cds.cern.ch/[...] 2022-05-10
_[26] 웹사이트 Lightning! Boston Museum of Science 2022-05-11
_[27] 웹사이트 Van De Graaff Generator Wonders https://www.sciencew[...] Vancouver Science World 2022-05-11
_[28] 웹사이트 The Bonetti electrostatic machine http://www.coe.ufrj.[...] www.coe.ufrj.br 2010-09-14
_[29] 간행물 The Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations http://web.ihep.su/d[...] American Physical Society 2016-08-19
_[30] 웹사이트 This Month in Physics History: February 12, 1935: Patent granted for Van de Graaff generator https://www.aps.org/[...] American Physical Society 2016-08-29
_[31] 간행물 原研タンデム静電加速器
_[32] 간행물 静電加速器用非磁性加速管の試作 https://cir.nii.ac.j[...] 2016-08-29
_[33] 간행물 大型タンデム静電加速器による加速器質量分析 https://cir.nii.ac.j[...] 2016-09-02
_[34] 서적 物理学辞典（三訂版） 培風館
_[35] 웹사이트 How Van de Graaff Generators Work http://science.howst[...] HowStuffWorks 2007-12-28
_[36] 서적 University Physics, 13th Ed. https://books.google[...] Pearson Education, Inc. 2012
_[37] 간행물 On a self-acting apparatus for multiplying and maintaining electric charges, with applications to the Voltaic Theory https://books.google[...] Taylor & Francis 2016-08-22
_[38] 서적 Electrical Influence Machines https://archive.org/[...] Whittaker and Co. 2016-08-22
_[39] 간행물 The Van de Graaff Generator - An Electrostatic Machine for the 20th Century http://pagesperso-or[...] 2016-08-22
_[40] 특허 Static electric machine https://patents.goog[...]
_[41] 간행물 A device for obtaining high potentials 1928
_[42] 간행물 バンデグラーフ加速器―100万ボルトが90ドルで―
_[43] 간행물 A 1,5000,000 Volt Electrostatic Generator http://www.imotiro.o[...] 2016-08-22
_[44] 서적 Niels Bohr's Times: In Physics, Philosophy, and Polity Oxford University Press
_[45] 서적 Electrical Engineering Handbook CRC Press
_[46] 간행물 イオンビーム利用の基礎と現状 III. ビーム技術および加速器 4.ファンデグラーフ型加速器 https://doi.org/10.3[...] 2016-08-29
_[47] 간행물 日本の静電加速器の歴史
_[48] 서적 Pittsburgh: A New Portrait https://books.google[...]
_[49] 웹사이트 Van de Graaff particle accelerator, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Pittsburgh, PA, August 7, 1945. http://explorepahist[...] WITF-TV 2016-08-23
_[50] 뉴스 Brian O'Neill: With Forest Hills atom smasher's fall, part of history tumbles http://www.post-gaze[...] 2016-08-23
_[51] 문서 High Voltage Engineering Corp.
_[52] 문서 National Electrostatics Corp.
_[53] 서적 巨大加速器への道 講談社
_[54] 서적 Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2016-08-29
_[55] 서적 Energy Stabilization of Electrostatic Accelerators John Wiley and Sons
_[56] 간행물 Status of the Holifield Radioactive Ion Beam Facility http://web.ornl.gov/[...] Oak Ridge National Laboratory 2016-08-26
_[57] 간행물 Electrostatic Accelerator Development at Wisconsin
_[58] 서적 放射線物理と加速器安全の工学 地人書館
_[59] 웹사이트 Particle Accelerator http://www.anu.edu.a[...] The Australian National University 2016-08-26
_[60] 웹사이트 The Bonetti electrostatic machine http://www.coe.ufrj.[...] www.coe.ufrj.br 2016-08-29
_[61] 저널 The Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations http://web.ihep.su/d[...] American Physical Society 2015-08-31
_[62] 웹인용 How Van de Graaff Generators Work http://science.howst[...] HowStuffWorks 2007-12-28