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2026-03-16T19:33:23Z

Round Hill Generator benannt, Formulierungen

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{{Dieser Artikel|behandelt das physikalische Gerät ''Van-de-Graaff-Generator''. Für die Rockband siehe [[Van der Graaf Generator]].}}
[[Datei:Van de graaff generator sm.jpg|mini|hochkant|Van-de-Graaff-Generator für Demonstrations- und Unterrichtszwecke]]
[[Datei:VanDeGraaff Schema 202011.svg|mini|Schematischer Aufbau eines Van-de-Graaff-Generators 
1. Hochspannungsquelle 
2. Sprühelektrode 
3. Endloses Band aus isolierendem Material 
4. Metallhohlkugel 
5. Ladungsabnehmer]]
[[Datei:Az első magyar gyorsító Van de Graaff-generátora(2).jpg|hochkant|mini|Ausgemusterter 1-MV-Van-de-Graaff-Generator im Foyer des Mathematik-Museums der [[Eötvös-Loránd-Universität]] in [[Budapest]] (Konstrukteur: [[Károly Simonyi (Physiker)|Károly Simonyi]], [[Sopron]], [[Ungarn]] 1951)]]

Ein '''Van-de-Graaff-Generator''', auch '''Bandgenerator''' genannt, ist eine Apparatur zur Erzeugung hoher elektrischer [[Gleichspannung]]en. Der Generator wurde nach dem amerikanischen [[Physiker]] [[Robert Jemison Van de Graaff|Robert Van de Graaff]] benannt, der ab 1929 Bandgeneratoren entwickelte.<ref name="Van de Graaff">{{cite journal
| last1 = Van de Graaff
| first1 = R. J.
| last2 = Compton
| first2 = K. T.
| last3 = Van Atta
| first3 = L. C.
| title = The Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations
| journal = Physical Review
| volume = 43
| issue = 3
| pages = 149–157
| publisher = American Physical Society
| location =
| date = 1933-02
| url = http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/van%20de%20graaff33/eng.pdf
| issn =
| doi = 10.1103/PhysRev.43.149
| accessdate = 2018-05-01|bibcode = 1933PhRv...43..149V }}</ref>

Der Bandgenerator zählt zu den [[Elektrostatischer Generator#Elektrisiermaschinen|elektrostatischen Generatoren]] und wandelt mechanische in [[elektrische Energie]] um, allerdings mit sehr geringem [[Wirkungsgrad]]. Er ist neben der [[Influenzmaschine]] und dem [[Tesla-Transformator]] das am häufigsten für physikalische Lehrexperimente verwendete Gerät zur [[Hochspannung]]serzeugung. Eine weitere Anwendung findet er im [[Van-de-Graaff-Beschleuniger]].

== Aufbau ==
Ein umlaufendes elektrisch isolierendes Band, beispielsweise ein Gummiband – in der Schemazeichnung dunkelorange – kann durch Reibung oder durch Aufsprühen der Ladung (siehe [[Koronaentladung]]<ref>[https://www.spektrum.de/lexikon/physik/bandgenerator/1215 Bandgenerator] - Spektrum.de, 1998, abgerufen am 1. Mai 2018.</ref>) oder aus einer externen Spannungsquelle elektrisch aufgeladen werden. Die [[Elektrische Ladung|Ladung]] wird durch die Bewegung des Bandes in das Innere der im Bild sichtbaren großen metallischen Hohlkugel transportiert und dort durch eine mit der Kugel leitend verbundene Bürste vom Band „abgestreift“. Die Kugel kann dadurch auf immer höhere [[Elektrische Spannung|Spannung]] gegenüber der Umgebung aufgeladen werden; die Spannung wird nur begrenzt durch Funkendurchschläge bei zu hoch gewordener [[Elektrische Feldstärke|Feldstärke]].

Die im nebenstehenden Foto sichtbare zweite kleinere Kugel ist schwenkbar mit dem Fuß (Erdpotential) verbunden und dient als Gegenpol zur Ermittlung der [[Schlagweite]] der Funkenentladung sowie zur gefahrlosen Entladung der Apparatur. Sie hat für die Funktion des Generators selbst keine Bedeutung.

== Funktionsweise ==
Elektrische Ladung der gewünschten Polarität, positiv oder negativ, wird als [[Reibungselektrizität]] (Abrollen des Bandes von der unteren Rolle) oder aus einer externen Spannungsquelle als [[Koronaentladung]] durch Aufsprühen mit einem Metallkamm auf das Band gebracht und mit diesem in die Hohlkugel transportiert. Dort wird sie über den im Inneren befindlichen Steg an die Kugel abgegeben. Abhängig von den verwendeten Materialien der Rollen und des Bandes bzw. der Konfiguration der Spannungsquelle wird die Hohlkugel positiv oder negativ geladen.
Das Innere der Kugel ist wie ein [[Faradayscher Käfig]] feldfrei, weswegen elektrische Ladung von der oberen Bürste leichter auf die Kugel übertragen werden kann. Wäre die obere Bürste außerhalb der Kugel angebracht, würde ein immer stärker werdendes [[elektrisches Feld]] der Übertragung von Ladungsträgern auf die Kugel entgegenwirken.

Durch die gegenseitige Abstoßung gleichnamiger Ladungen wandert jede neu in das Kugelinnere gebrachte Ladungsmenge zur Kugeloberfläche, unabhängig von der dort bereits vorhandenen Ladung. So kann immer mehr Ladung in die Kugel transportiert werden, und es kann eine hohe Spannung zwischen der Kugel und der Umgebung entstehen. Diese Spannungsdifferenz muss von der Ladung auf dem Band beim Weg in die Kugel überwunden werden. Das gelingt, indem beim Drehen mechanische [[Arbeit (Physik)|Arbeit]] gegen die elektrostatische Anziehungskraft verrichtet wird, die zwischen der Ladung und Erdpotential besteht: die Abstandsänderung führt zu steigender Spannung auf dem Band und die Ladung kann als elektrische Feldenergie in der oberen Kugel deponiert werden. Ähnlich wie bei einem geladenen Plattenkondensator, dessen Platten man voneinander entfernt (Verringerung der Kapazität <math>C</math>), erhöht sich bei gleichbleibender Ladung <math>Q</math> auf dem Band die Spannung <math>U</math> bzw. der Potentialunterschied zum Erdpotential:

<math>U=\frac{Q}{C}</math>

mit
{|
|<math>U</math>
| – gegenüber Erdpotential steigender Potentialunterschied
|-
|<math>Q</math>
| – konstante Ladungen auf dem Band
|-
|<math>C</math>
| – sich beim Hochlaufen verringernde [[Elektrische Kapazität|Kapazität]] eines Bandabschnittes gegenüber Erde
|}

Das Band steht nach dem Rücklauf wieder zur Aufnahme neuer Ladungen bereit, da sich das Potential beim Rücklauf (Annäherung an das Erdpotential) wieder verringert. Die Arbeit wird als elektrische Feldenergie zwischen oberer Kugel und Umgebung/Erde deponiert.

Bei fortlaufendem Drehen stellt sich in der großen Kugel ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Ladung und den durch die Luft und andere Wege abfließenden Ladungen ein. Da der mechanisch erzeugte Ladestrom vergleichsweise klein ist, wird die erreichbare Spannung durch den Entladestrom über die schwach leitende Luft begrenzt. Daher funktionieren Bandgeneratoren in feuchtem Klima nur sehr schlecht.

Mit entsprechend großen Geräten können Spannungen von mehreren Millionen [[Volt]] erzeugt werden. Die großen, für [[Van-de-Graaff-Beschleuniger|Beschleuniger]] verwendeten Generatoren sind meist in einem Drucktank eingebaut, der mit einem geeigneten, trockenen Gas (zum Beispiel [[Schwefelhexafluorid]]) gefüllt wird.

Die Kugel- oder zumindest abgerundete Form mit glatten Oberflächen minimiert den Verlust der Ladung, indem sie die an scharfen Kanten und Spitzen auftretenden [[Spitzenentladung]]en vermeidet oder verringert.

Bandgeneratoren, die ohne externe Spannungsquelle arbeiten, benötigen geeignete Materialpaarungen (siehe [[Reibungselektrizität]]) zwischen unterer bzw. oberer Rolle und Band, um im Band beim Abheben von der unteren Rolle genügend Reibungselektrizität zu erzeugen.

Extern gespeiste Bandgeneratoren besitzen oft auf dem Band voneinander isolierte Metallstege, die über eine kurz oberhalb der unteren Rolle befindliche Bürste oder einen Kamm aus Metall über eine Spitzenentladung geladen werden. Bei ihnen muss keine der Rollen aus Isoliermaterial bestehen. Daraus wurde das [[Pelletron]] entwickelt, das durch eine Isolierstoff-Kette voneinander isolierte metallene Rohrstücke oder Kugeln verwendet.

== Gefahrenhinweis ==
Bei kleinen Bandgeneratoren ist der beim Annähern an die obere Kugel durch den menschlichen Körper fließende Entladestrom nur kurzzeitig sehr hoch und daher meist ungefährlich. Jedoch sind Bandgeneratoren insbesondere dann eine Gefahrenquelle, wenn hochspannungsfeste [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] (z. B. sogenannte [[Leidener Flasche]]n) damit geladen werden. Sowohl die gespeicherte elektrische Ladung als auch die Energie können dann derart hoch werden, dass ein [[elektrischer Schlag]] gesundheitsschädlich oder sogar lebensgefährlich wird.

== Generatoren zur Unterhaltung und für Bildungszwecke ==
Der größte luftisolierte Van-de-Graaff-Generator der Welt ist der ''Round Hill Generator'' welcher in den 1930er Jahren von Robert Van de Graaff gebaut wurde und im Bostoner [[Museum of Science, Boston|Museum of Science]] ausgestellt ist.<ref>{{Internetquelle |autor=Pb |url=https://www.baublatt.ch/verschiedenes/der-groesste-van-de-graaff-generator-der-welt-23825 |titel=Der grösste Van-de-Graaff-Generator der Welt |werk=[[Baublatt]] |datum=2018-01-26 |abruf=2025-08-25}}</ref> Mit zwei verbundenen großen Aluminiumkugeln, die auf hohen Säulen stehen, kann dieser Generator 2 MV für [[Elektrostatik|elektrostatische Experimente]] erzeugen.

Van-de-Graaff-Generatoren werden auch in Schulen eingesetzt. Viele Wissenschaftsmuseen, wie das [[American Museum of Science and Energy]], das [[Swiss Science Center Technorama]] oder das [[Science City in Kolkata]] stellen Van-de-Graaff-Generatoren aus und nutzen ihre elektrostatische Aufladung, um Blitze zu erzeugen oder Menschen die Haare zu Berge stehen zu lassen.

== Fotos ==
<gallery mode="packed">
Van De Graaff gen 03.jpg|Van-de-Graaff-Generator für Schulen
Van De Graaff gen 04.jpg|Van-de-Graaff-Generator ohne Hohlkugel
Van De Graaff gen 05.jpg|Oberer Abnahmekamm
Van De Graaff gen 06.jpg|Unterer Aufgabekamm
</gallery>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Hrsg=[[Dieter Meschede]] |Titel=[[Gerthsen Physik]] |Auflage=23 |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=2006
|ISBN=978-3-540-25421-8 |Kapitel=18.3.3 Teilchenbeschleuniger |Seiten=995,996 |Kommentar=siehe Bild 18.33.}}
* {{Literatur
|Autor=[[Manfred von Ardenne]], Gerhard Musiol, Uwe Klemradt
|Titel=Effekte der Physik und ihre Anwendungen
|Auflage=3.
|Verlag=Harri Deutsch
|ISBN=978-3-8171-1682-9
|Datum=2005}}
* {{Literatur
|Autor=[[Richard P. Feynman]], [[Robert B. Leighton]], [[Matthew Sands]]
|Titel=[[Feynman-Vorlesungen über Physik|The Feynman Lectures on Physics]]
|Band=2
|Kapitel=5 Application of Gauss' Law
|Verlag=Addison-Wesley
|Ort=Reading, Massachusetts
|Datum=1964
|Online=https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_05.html
|Sprache=en
|Kommentar=siehe insbesondere Fig. 5-10 zur Funktion der Metallhohlkugel
}}

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Weblinks ==
{{Commonscat|Van de Graaff generators|Van-de-Graaff-Generator}}
{{Wiktionary|Bandgenerator}}
{{Wiktionary}}
* {{Internetquelle |autor= |url=https://www.experimente.physik.uni-freiburg.de/E_Elektrizitaet_und_Magnetismus/Elektrisches_Feld_Kapazitaet_Influenz_Dielektrikum_Kontaktspannung/versuchemitdemvandegraaffgenerator |titel=Versuche mit dem van de Graaff-Generator |werk=Web-Portal für Experimente des Physikalischen Instituts der Universität Freiburg |abruf=2020-10-31}}

[[Kategorie:Elektrostatischer Generator]]
[[Kategorie:Physikalisches Demonstrationsexperiment]]

Van-de-Graaff-Generator - Versionsgeschichte

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