自作バンデグラフ

　以下は完成した手回し式のバンデグラフです。

　動作原理について自分なりの理解は上図の右のようになります。発電のポイントはゴムと塩ビ、ゴムと木の異なる素材が剥離するときに生じる電離現象です。異なる物質を剥離したときに静電気が発生します。ゴムと塩ビが剥離すると、ゴムがプラスに、塩ビがマイナスに帯電します。一方、ゴムと木の場合は、ゴムがマイナスに、塩ビがプラスに帯電します。このように上下のローラーに異なる物質を配置しゴムを回転させると、塩ビのローラーはマイナスに、木のローラーはプラスに帯電します。

　この時上下に集電端子を接続するとどうなるでしょうか。下部の集電端子はアースに接続されます。マイナスの電荷が木のプラスに引かれてアースからゴムの外側に引き寄せられます。マイナスの電荷はゴムに運ばれ上部の集電端子まで到達します。上部の終電端子はアルミテープの貼られたプリンカップに接続されています。アースから運ばれた電荷は塩ビのマイナスと反発しプリンカップのアルミテープに蓄積されます。

◆製作

　材料は、500mlのペットボトル、幅11mmの輪ゴム、祝い箸、塩ビパイプ、アルミテープ、アルミ箔、厚紙、スポンジ、プリンカップです。組み立て方法は上の写真と図を見れば分かると思いますから詳細の記述は割愛します。集電端子付近のアップを以下に紹介します。

　上部の端子は厚紙にアルミテープを貼った構造で、最上部のプリンカップまでの電気の道筋を作ります。ゴムとの接触部はアルミ箔を使い、やさしく接触するように調整しました。飲み口にスポンジを押し込んで端子を半固定状態にしてあります。

　下部の端子は、厚紙にアルミテープを張り厚紙のテンションを利用しゴムに接触させています。使用するときは自身の体をアースと考え、はみ出した部分のアルミを触りながら下部の軸を回転させます。

◆帯電を確認

　完成したバンデグラフを回転させました。プリンカップを指で触るとパチッと小さな音がする程度に帯電することが確認できました。痛みは殆ど感じられないので、1kV〜2kV程度ではないかと思われます。

◆極性を確認

　極性の確認には箔検電器を使います。M3 60mmのネジの先にアルミ箔を、上部に円状のアルミ板を取り付けました。

　極性の判定は箔検電器を帯電させることからはじめます。箔検電器に衣類で擦った塩ビパイプを近づけます。塩ビはマイナスに帯電しています。箔検電器に近づけると上部がプラス、箔がマイナスに電離し箔が開きます。その状態で上部を指で触れると、検電器のマイナス電荷が体に移動します。指を離すと検電器はプラスに帯電します。

　プラスに帯電した箔検電器にマイナスの塩ビパイプを近づけると、わずかに残ったマイナス電荷が箔に移動し箔を閉じます。逆にプラスの帯電物を近づけるとマイナスの電荷が箔からなくなりますので箔はさらに開きます。この動きで帯電物の極性を判定します。

　自作バンデグラフの場合、マイナスに帯電していました。上で考えた動作原理と一致しました。

◆課題

　とりあえずの動作は確認できましたが、まだ課題が何点かあります。最大の問題は、回転中にゴムの位置が定まらないことです。上下のローラーにテーパーを付けてゴムの位置を安定させる必要があります。次は、上部集電端子の接触面積が小さく帯電効率が悪いことです。安定的に多くの面積で接触するような工夫が必要です。

　いらんシーンではバチバチ起こる静電気ですが、いざ作り出そうとするとなかなか手間がかかるひねくれ者のように思えます。

◆参考情報

　大よその物質間の帯電関係

マイナス	テフロン
	塩ビ
	ポリエチレン
	ゴム
	紙
	アルミ
	絹
	ナイロン
	髪の毛
プラス	ガラス