Generator Van de Graaff

Generator Van de Graaff merupakan mesin listrik statik yang menghasilkan
tegangan DC yang sangat tinggi, yaitu dengan cara mengumpulkan muatan
listrik dan menyimpannya pada permukaan bola logam berongga
(hollow spherical).
Alat ini dapat digerakkan dengan dua cara. Pertama dengan menggunakan motor
listrik yang dapat diatur kecepatan putarannya dan menggunakan listrik 220 V.
Yang kedua diputar langsung dengan menggunakan tangan. Hal ini dapat
dilakukan dengan hanya memindahkan karet penggerak ke puli motor atau
ke puli yang dapat diputar oleh tangan.

·          Keunggulan

• Bola berongga terbuat dari stainless steel dengan diameter 220 mm.

• Bola berongga terdiri atas 2 bagian, dengan bagian atas bola dapat dilepas-pasang sehingga cara kerja generator dapat dilihat.

• Kapasitansi bola berongga ± 12 pF sebagai pengumpul muatan.

• Tegangan listrik statis dapat mencapai ± 330 kV. Loncatan busur listrik dapat mencapai jarak 50 – 100 mm, bergantung pada kondisi kelembaban lingkungan.

• Pada sikat bagian bawah terdapat soket 4 mm yang dapat dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi lain jika diperlukan.

• Set dilengkapi aksesori untuk percobaan listrik statis.

·          Spesifikasi

Diameter bola berongga	: 220 mm
Jarak busur listrik	: 50 – 100 mm (maksimum)
Sumber tegangan motor	: 220 V
Dimensi	: 630 × 195 × 195 mm

Semua kelengkapan memiliki sistem steker 4 mm untuk dipasangkan
pada bagian atas bola berongga yang memiliki soket 4 mm.

Sebelumnya perlu diketahui bahwa generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal dengan menggunakan proses induksi elektromagnetik. Generator listrik mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit eksternal, tetapi generator tidak merupakan alat yang dapat menciptakan listrik yang sudah ada dalam kabel lilitannya.

Generator Van De Graff diciptakan oleh Robert J. Van De Graff pada tahun 1932 yang menerapkan prinsip dasar bahwa muatan pada konduktor berongga hanya tersebar di permukaan luarnya.

Apabila sebuah konduktor bermuatan disisipkan ke dalam sebuah konduktor rongga, lalu disentuhkan pada dinding dalamnya, maka seluruh muatan pada konduktor pertama berpindah ke konduktor kedua, tak perduli apakah konduktor kedua ini telah bermuatan sebelumnya. Sekiranya tak ada kesulitan akibat adanya faktor isolasi, muatan (dan kerena itu juga potensial) konduktor rongga itu bisa saja ditambah tanpa batas dengan cara mengulang-ulang proses tadi. Dengan naiknya potensial konduktor maka makin besar gaya tolak yang bekerja terhadapnya tiap kali muatan ditambahkan padanya sehingga pada suatu saat konduktor tersebut tidak dapat menampung muatan lagi.

Generator yang diciptakan oleh Van De Graff menerapkan asas tersebut namun caranya bukan dengan berkali-kali memasukkan benda bermuatan ke dalam sebuah konduktor, melainkan muatan dimasukkan secara terus menerus dengan pita atau ben berjalan (belt conveyor).

BAGIAN-BAGIAN GENERATOR VAN DE GRAFF

Gambar 1 berikut merupakan sebuah diagram skematik generator Van De Graff kecil yang dirancang untuk peragaan.

CARA KERJA GENERATOR VAN DE GRAFF

Secara umum, dua konduktor yang dipisahkan dengan suatu jarak tidak akan berada pada potensial yang sama. Beda potensial antara konduktor tersebut bergantung pada bentuk geometrinya, jaraknya dan muatan bersih masing-masing. Ketika dua konduktor disambung, muatan pada konduktor menyebar dengan sendirinya sehingga keseimbangan elektrostatik terbentuk dan medan listrik nol dalam konduktor. Ketika tersambung kedua konduktor dianggap sebagai konduktor tunggal dengan permukaan ekipotensial tunggal. Perpindahan muatan dari satu konduktor ke yang lain disebut pembagian muatan (charge sharing).

Pada gambar 2, konduktor kecil membawa muatan positif q berada di dalam lubang konduktor besar. Dalam keseimbangan, medan listrik nol di dalam material menghantar kedua konduktor. Garis-garis medan listrik yang meninggalkan muatan positif q dan harus berakhir pada permukaan dalam konduktor besar. Apabila konduktor dihubungkan dengan kabel (kawat penghantar yang baik), semua muatan yang semula berada di konduktor kecil akan mengalir ke yang besar.

Ketika hubungan ini putus, tidak ada muatan di konduktor kecil dalam lubang dan tidak ada garis medan pada bagian mana saja di permukaan luar konduktor besar. Mauatn positif dipindah dari konduktor kecil seluruhnya yang terletak di permukaan luar konduktor besar. Apabila diletakkan lagi muatan lebih positif pada konduktor dalam akan mengalir lagi ke konduktor luar. Prosedur ini dapat terulang untuk jangka waktu yang tak terbatas.Metode inilah yang digunakan oleh van de graff untuk menghasilkan potensial besar dalam generator, dimana muatan dibawa ke permukaan dalam konduktor bola besar dengan membawa muatan ke bola luar yang berada pada potensial tinggi. Muatan bersih yang lebih besar di konduktor luar, potensialnya lebih besar.

Secara sederhananya, kerja generator Van De Graff yaitu apabila ujung runcing H dihubungkan dengan tegangan tinggi searah 2 x 104 V atau 20kV, mengandung muatan positif yang besar. Ujung runcing H bersentuhan dengan sabuk yang digerakkan oleh motor penggerak atau engkol tangan yang terhubung melalui roller F. gesekan antar sabuk dan ujung runcing H bermuatan positif menyebabkan elektron-elektron (muatan negative) dari sabuk ditarik ke ujung runcing H. ini menyebabkan sabuk kiri yang tadinya netral akan mengandung sejumlah besar muatan positif. Sabuk ini bergerak membawa muatan positif menuju ke kubah setengah bola yang ditopang oleh sepasang tiang berisolasi. Saat melewati ujung runcing G sabuk meninduksikan muatan pada konduktor ini yang karena ujungnya runcing, menimbulkan intensitas medan yang tingginya cukup untuk menionisasi udara antara ujung runcing dan sabuk. Maka udara yang terionisasi ini menjadi “jembatan” penghantaran bagi muatan positif pada sabuk guna dapat mengalir ke konduktor A. Sehingga fungsi dari ujung runcing G yang terdapat dalam kubah ialah mengumpulkan muatan positif dari sabuk, dan memindahkannya ke permukaan luar kubah. Sebagai hasilnya pada kubah terkumpul muatan positif yang sangat besar. Ketika meninggalkan katrol E, sabuk itu menjadi bermuatan negative dan sisi kanannya mengangkut muatan negative ini ke luar dari terminal atas. Pengambilan muatan negatif ekuivalen dengan penambahan muatan positif, sehingga kedua sisi sabuk berperan menaikan muatan netto positif terminal A. Muatan negatif terambil dari sabuk pada ujung runcing H, lalu mengalir ke tanah.

Pengumpulan muatan pada kubah tidak dapat berlanjut tanpa batas, karena akhirnya pelepasan muatan akan terjadi di udara. Untuk memahami hal ini, perhatikan bahwa lebih banyak muatan terkumpul pada permukaan luar kubah, besar medan listrik pada kubah juga meningkat. Akhirnya, kekuatan medan lsitrik menjadi cukup untuk mengionisasi sebagian molekul udara di dekat permukaan kubah. Ini membuat sebagian udara bersifat konduksi (dapat menghantarkan muatan listrik). Muatan-muatan pada kubah sekarang memilki jalan untuk bocor menuju udara di sekitarnya. Pelepasan muatan ke udara ini dapat menimbulkan ”ledakan petir”.

Sumber : Allonso, Finn. 1994. Dasar-dasar Fisika Universitas Edisi kedua Jilid 2 Medan dan Gelombang. Jakarta: Erlangga.

Artikel Terkait: