ELETTROSTATICHE, MACCHINE
ELETTROSTATICHE, MACCHINE (XIII, p. 758)
Le macchine elettrostatiche attuali sono generalmente costruite allo scopo di fornire elevatissime tensioni, dell'ordine di 108 volt per l'accelerazione delle particelle elementari usate nelle ricerche di fisica nucleare. Benché la loro origine possa esser fatta risalire ad una macchina progettata all'inizio del secolo da lord Kelvin, solo nel 1931 R.J. van der Graaff, riprendendo quella vecchia idea, iniziò la costruzione del primo generatore elettrostatico moderno per ricerche di fisica nucleare. Il funzionamento di questo generatore, come degli altri simili che sono stati in seguito costruiti, può essere schematizzato come segue. Delle cariche elettriche vengono trasferite per effetto corona da un conduttore a forma di punta, ad un supporto isolante in moto continuo; il supporto penetra durante il suo moto entro un elettrodo cavo di grandi dimensioni sul quale deposita le cariche; tra l'elettrodo cavo isolato e la terra si stabilisce così una differenza di potenziale che è solo limitata dalle perdite lungo gli isolatori e dalle perdite, dovute all'effetto corona, dell'elettrodo stesso. La corrente che può essere utilizzata è uguale alla carica trasportata dal supporto isolante nell'unità di tempo, diminuita della carica che viene contemporaneamente ad essere dispersa per effetto delle ricordate perdite.
Nella fig. 1 è schematizzato il generatore elettrostatico di van der Graaff. Mediante il trasformatore elevatore T ed il tubo raddrizzatore R, la punta C viene portata ad un potenziale positivo di circa 20.000 volt; il nastro isolante B che ruota sulle due pulegge, nel passare di fronte alla punta C si carica positivamente e successivamente cede le sue cariche alla punta F. In tale maniera una carica positiva viene continuamente ceduta all'elettrodo cavo A isolato, che acquista un elevato potenziale rispetto alla terra.
A questo schema di principio sono state successivamente apportate diverse varianti: il nastro isolante è stato sostituito con una polvere di particelle isolanti, messa in circolazione entro un tubo mediante un ventilatore. Negli impianti più recenti i generatori alla van der Graaff sono solidamente racchiusi entro recipienti, che vengono riempiti con gas a pressione per diminuire le perdite dovute all'effetto corona e realizzare la massima differenza di potenziale raggiungibile. Un generatore di questo tipo, è quello dell'università di Wisconsin (S. U.), schematizzato nella fig. 2. Entro un cilindro V d'acciaio a tenuta, della lunghezza di 7 m. e del diametro di 168 cm. è contenuto il doppio nastro trasportatore B, l'elettrodo ad alta tensione A ed il tubo acceleratore E, mentre le particelle da accelerare sono prodotte entro l'elettrodo A dalla sorgente di ioni S e giungono in T con un'energia che corrisponde alla differenza di potenziale esistente tra A e l'involucro a massa. Con una pressione di 6 atm. del gas contenuto nell'apparecchio è possibile raggiungere la differenza di potenziale di 2 milioni di volt. La fotografia di un altro generatore di questo tipo, in funzione presso i laboratorî Westinghouse a Pittsburg (S. U.), è riprodotta nella fig. 4.
Alla categoria delle macchine elettrostatiche si possono ritenere appartenenti i moltiplicatori di tensione a cascata, anch'essi impiegati per l'accelerazione di particelle elementari nelle ricerche di fisica nucleare. Anche queste macchine infatti forniscono una elevata tensione con debole intensità di corrente. Il primo esemplare di essa fu costruito e fatto funzionare solo nel 1932 al laboratorio di Cambridge.
Il principio di funzionamento di queste macchine può essere compreso con l'aiuto dello schema (fig. 3). Ai capi del secondario di un trasformatore elevatore T appare una tensione sinusoidale di qualche decina di migliaia di volt. Mediante il tubo raddrizzatore 4′ il condensatore C′4; viene caricato alla tensione positiva massima E, raggiunta dal secondario del trasformatore. La stessa operazione compie il raddrizzatore 3 nei confronti del condensatore C4 con la differenza che si ha come tensione di riferimento, anziché lo zero, la tensione E alla quale si trova il condensatore C′4; pertanto ai capi di C4 si stabilisce la tensione 2E. Il processo di ripete per i successivi condensatori e raddrizzatori, di maniera che in P si ha una differenza di potenziale verso terra pari alla somma delle differenze di potenziale ai capi delle capacità C1, C2, C3, C4, cioè pari a 4 × 2 E = 8 E.
Diverse macchine di questo tipo sono statc costruite, per tensioni fino ai 2 milioni di volt. La fig. 5 rappresenta il generatore da 1 milioni di volt in funzione dal 1938 all'Istituto superiore di sanità di Roma; si nota in ultimo piano la colonna dei condensatori e raddrizzatori descritta, in primo piano in alto l'elettrodo ad alta tensione, che nella cavità interna contiene la sorgente di ioni da accelerare ed il tubo acceleratore verticale la cui estremità, invisibile nella foto, si affaccia sul soffitto del laboratorio sottostante. Gli anelli metallici attorno a questo tubo hanno lo scopo di distribuire uniformemente lungo di esso il campo elettrico.
Bibl.: R. J. van der Graaff, K. T. Compton, L. C. v. Atta, The electrostatic production of high voltage for nuclear investigations, in The Physical Review, LXIII (1933), p. 149; L. C. v. Atta, D. L. Northrup, C. M. v. Atta, R. J. van der Graaf, The design, operation and performance of The Round Hill electrostatic generator, in The Physical Review, XLIX (1936), p. 761.