El generador de Van de Graaff Campo producido por un conductor esférico cargado. Potencial de la esfera conductora Potencia del motor que mueve la correa Fuerza electromotriz Actividades Referencias
Cuando se introduce un conductor cargado dentro de otro hueco y se ponen en contacto, toda la carga del primero pasa al segundo, cualquiera que sea la carga inicial del conductor hueco Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga del conductor hueco indefinidamente. De hecho, existe un límite debido a las dificultades de aislamiento de la carga. Cuando se eleva el potencial, el aire que le rodea se hace conductor y se empieza a perder carga. La diferencia entre la cubeta de Faraday y el generador de Van de Graaff, es que en la primera la carga se introduce de forma discreta mientras que en el segundo, se introduce en el conductor hueco de forma continua mediante una cinta transportadora.
El generador de Van de Graaff Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.
En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.
La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday) Faraday). Funcionamiento del generador de Van de Graaff
Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.
En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie del polea y la cinta están hechos de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario. Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera un carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura. Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio entre ambos elementos se ionizan, creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica hacia la cinta. Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta, y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo.
La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica). Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco. Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta
carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente. Las características del generador de Van de Graaff que disponemos en el laboratorio de Física de la E.U.I.T.I. de Eibar, son los siguientes:
Diámetro de la esfera conductora 21 cm Capacidad 15 pF Tensión máxima 150-200 kV Máxima corriente 6 A
Campo producido por un conductor esférico de cargado. El teorema de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga en el interior de dicha superficie dividido entre 0.
Consideremos una esfera hueca de radio R cargada con una carga Q. La aplicación del teorema de Gauss requiere los siguientes pasos:
1.-A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico.
La distribución de carga tiene simetría esférica luego, la dirección del campo es radial 2.-Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo Tomamos como superficie cerrada, una esfera de radio r. El campo E es paralelo al vector superficie dS, y el campo es constante en todos los puntos de la superficie esférica por lo que,
El flujo total es E·4 r 2 3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada
rR .Si estamos calculando el campo en el exterior de la esfera cargada, la carga que hay en el interior de la superficie esférica de radio r es la carga total q=Q.
4.-Aplicar el teorema de Gauss y despejar el módulo del campo eléctrico
En la figura, se muestra la representación del módulo del campo eléctrico E en función de la distancia radial r .
El campo en el exterior de la esfera conductora cargada con carga Q, tiene la misma expresión que el campo producido por una carga puntual Q situada en su centro.
Potencial de la esfera conductora Se denomina potencial a la diferencia de potencial entre un punto P a una distancia r del centro de la esfera y el infinito. Como el campo en el interior de le esfera conductora es cero, el potencial es constante en todos sus puntos. El potencial en la superficie de la esfera es el área sombreada (figura de la derecha)
Se denomina capacidad de la esfera (más adelante definiremos esta magnitud) al cociente entre la carga y su potencial, C=Q/V=4 0 R.
Potencia del motor que mueve la correa Supóngase que la diferencia de potencial entre el conductor hueco del generador de Van de Graaff y el punto sobre el cual se esparcen las cargas sobre la correa es V . Si la correa proporciona carga positiva a la esfera a razón de i amperes. Determinar la potencia necesaria para mover la polea en contra de las fuerzas eléctrica.
El trabajo que hay que realizar para que una carga dq positiva pase de un lugar en el que el potencial es cero a otro en el que el potencial V es dW=Vdq
La potencia
Para el generador de Van de Graaff de nuestro laboratorio que transporta en la correa una carga máxima 6 C en cada segundo, desde un potencial 0 a un potencial máximo de 200 kV, la potencia será P=200·103·6·10-6=1.2 W
Fuerza electromotriz El agua que abastece una ciudad baja espontáneamente desde un depósito situado en la cima de una colina. Ahora bien, para mantener el nivel del depósito, es necesario ir llenándolo a medida que el agua se consume. Un motor conectado a una bomba puede elevar el agua desde un río cercano hasta el depósito.
En una pista de esquí, los remontes mecánicos suben a los esquiadores hasta el alto de una colina, después, los esquiadores bajan deslizando pendiente abajo. Los esquiadores son equivalentes a los portadores de carga, el remonte mecánico incrementa la energía potencial del esquiador. Luego, el esquiador baja deslizándose por la colina hasta la base del remonte. En un conductor los portadores de carga (positivos) se mueven espontáneamente desde un lugar en el que el potencial es más alto hacia otro lugar en el que el potencial es más bajo, es decir, en la dirección del campo eléctrico. Para mantener el estado estacionario es necesario proveer de un mecanismo que transporte los portadores de carga desde un potencial más bajo hasta un potencial más elevado. El generador de Van de Graaff es un ejemplo de este mecanismo. Las cargas positivas se mueven en dirección contraria al campo eléctrico, en el que el potencial aumenta, y las negativas en la misma dirección que el campo, en el que el potencial disminuye. La fuerza o la energía necesaria para este transporte de cargas lo realiza el motor que "bombea" las cargas. Se denomina fuerza electromotriz o fem V al trabajo por unidad de carga que realiza el dispositivo. Aunque la unidad de la fem es la misma que la de una diferencia de potencial, se trata de conceptos completamente diferentes. Una fem produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos físicos cuya naturaleza no es necesariamente eléctrica (en el generador de Van de Graaff es mecánica, en una pila es de naturaleza química, magnética, etc. ). Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo no lo realiza necesariamente una fuerza conservativa, mientras que la diferencia de potencial es el trabajo por unidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que es conservativa.
Actividades En el applet se simula el generador de Van de Graaff, con la descripción dada en la sección anterior. En el generador real la cinta transporta carga de forma continua. En la simulación, se transporta de forma discreta, sobre la cinta aparecen puntos rojos igualmente espaciados, cada unos de ellos representa una unidad de carga positiva cuyo valor genera el programa interactivo de forma aleatoria. Al igual que en un generador real, el simulado pone un límite al campo máximo en la superficie de la esfera a partir del cual, el aire se ioniza y el generador no puede incrementar más la carga. Podemos aproximar el conductor hueco a una esfera conductora de radio R. Conociendo la carga acumulada Q se calcula el campo producido por un esfera conductora en su superficie
El generador deja de acumular carga cuando el aire se vuelve conductor. La intensidad del campo eléctrico límite es de aproximadamente 3.0 106 V/m. Para una esfera de radio R podemos calcular la carga máxima que puede acumular y el máximo potencial que adquiere la esfera cargada. Se introduce
el radio de la esfera en cm, en el control de edición titulado Radio, .
Se pulsa en el botón titulado Empieza. Supongamos una esfera de 40 cm de radio. Comprobar que
La capacidad de la esfera C =4 0 R. es 44.4 pF La carga máxima que puede acumular es Q=53.3 C hasta que se produce la ruptura dieléctrica (el campo eléctrico límite es de 3.0 106 V/m) El máximo potencial V es de 1.2 millones de volts.
Generador Van de Graaff
Con el modelo de demostración de generador de Van de Graaff, se pueden generar voltajes de cientos de miles de voltios. Las descargas de Van de Graaff aunque sorprendentes, no representan un serio peligro de choque ya que las corrientes alcanzables son muy pequeñas. Una polea acciona una cinta aislante a la que se le proporciona cargas positivas* producidas por una fuente de alimentación, mediante un peine de puntas metálico. Los electrones son desprendidos de la correa, dejándola cargada positivamente. Un peine similar en lo alto se encarga de difundir sobre la cúpula las cargas netas positivas.
Una demostración favorita con el generador Van de Graaf es ponerle a alguien los pelos de punta. Otras Demos
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Índice Conceptos sobre Voltaje
Los experimentadores Erin Klein Jacobs arriba y Nehlia Grey en la izquierda, demuestran la realidad de que las cargas del mismo signo se repelen. Todas las hebras de su cabello, tienen la misma carga neta y por tanto se repelen fuertemente.
*Por supuesto que los electrones son los portadores de cargas móviles.
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Generador Van de Graaff
Con el modelo de demostración de generador Van de Graaff , se pueden generar voltajes por encima de los 100.000 voltios. Aunque sorprendentes, las descargas de Van de Graaff no representan un serio peligro de descarga puesto que las corrientes alcanzables son muy pequeñas. Tales corrientes son suficientes para ponerte ¡los pelos de punta!. Las cargas iguales sobre los pelos individuales, los hacen repelerse entre ellos y separarse de la cabeza de Jennifer. Ella está de pié sobre una silla de madera para aislarse del suelo y conseguir que se le acumulen las cargas.
Generador de Van de Graaff
Para la venda con un nombre similar, vea Van der Graaf Generator.
A Generador de Van de Graaff es máquina electrostática qué aplicaciones una correa móvil de acumular muy arriba electrostático el establo voltajes en un globo hueco del metal. diferencias potenciales alcanzado en los generadores modernos de Van de Graaff puede alcanzar 5 megavolts. Usos para éstos alto voltaje los generadores incluyen conducir Tubos de radiografía, acelerando electrones para esterilizar los materiales del alimento y del proceso, y aceleración protones para física nuclear experimentos. El generador de de Graaff de la furgoneta se puede pensar en como fuente constante-actual conectada paralelamente a a condensador y una resistencia eléctrica muy grande.
Contenido
1 Descripción 2 Historia 3 Generadores de Van de Graaff en la exhibición 4 Comparación con otros generadores de alto voltaje 5 Patentes 6 Referencias 7 Vea también 8 Acoplamientos externos
Descripción Un generador simple de Van de Graaff consiste en una correa de la seda, o un flexible similar dieléctrico material, funcionando sobre dos poleas, una de las cuales es rodeado por una esfera hueco del metal.[1] Dos electrodos, (2) y (7), bajo la forma de filas peineformadas de los puntos agudos del metal, se colocan respectivamente cerca al fondo de la polea y del interior la esfera. (2) está conectado con la esfera, y un alto potencial de la C.C. (con respecto a la tierra) se aplica a (7); un potencial positivo en este ejemplo. El alto voltaje ioniza el aire en la extremidad de (7), rechazando (rociadura) el positivo carga sobre la correa, encima de la cual entonces la lleva y dentro de la esfera. Esta carga positiva induce una carga negativa al electrodo (2) y una carga positiva a la esfera (con cuál (2) está conectado). La alta diferencia potencial ioniza el aire dentro de la esfera, y las cargas negativas se rechazan de E2 y sobre la correa, descargándolo. Como resultado de Jaula de Faraday el efecto, carga positiva encendido (2) emigra a la esfera sin importar existir de la esfera voltaje. A medida que la correa continúa moviéndose, una constante corriente de carga viaja vía la correa, y la esfera continúa acumulando la carga positiva hasta la tarifa que la carga se está perdiendo (con salida y descargas de corona) iguala la corriente de carga. Cuanto más grande es la esfera y cuanto más lejana es de tierra, el más alto será su potencial final. El otro método para los generadores de building Van de Graaff es utilizar efecto triboeléctrico. Los dos rodillos para la correa se hacen de diversos materiales, lejos de uno a en la serie triboeléctrica. Cuando la correa entra en el contacto con uno y después se separa, la carga se transfiere del rodillo a la correa, y el rodillo se carga. Cuando la correa entra en el contacto con el otro rodillo y después se separa, la carga se transfiere de la correa al rodillo, y ese rodillo desarrolla una carga opuesta. El fuerte e-campo de los rodillos entonces induce una descarga de corona en la extremidad de los electrodos acentuados. Los electrodos entonces “rocían” una carga sobre la correa que es opuesta en polaridad a la carga en los rodillos. La operación restante es de otra manera igual que la versión voltajeque inyecta arriba. Este tipo de generador es más fácil de construir para los proyectos justos o hechos en casa de la ciencia, puesto que no requiere una fuente de alto voltaje potencialmente peligrosa. La compensación es que no puede acumular tan arriba un voltaje
como el otro tipo, y la operación puede llegar a ser difícil bajo condiciones húmedas (que puedan reducir seriamente efectos triboeléctricos). Puesto que un generador de de Graaff de la furgoneta puede proveer la misma corriente pequeña en casi cualquier nivel del potencial eléctrico, es un ejemplo de un casi ideal fuente actual. El potencial realizable máximo es aproximadamente igual al radio de la esfera multiplicado por el e-campo donde las descargas de corona comienzan a formar dentro del gas circundante. Por ejemplo, un electrodo esférico pulido 30 centímetros de diámetro sumergido en aire en STP (que tiene a voltaje de interrupción de cerca de 30 kV/cm) podía esperar desarrollar un voltaje máximo de cerca de 450 kilovoltios.
Historia La idea fundamental para la máquina de la fricción como fuente de alto voltaje, usando influencia electrostática para cargar el disco que rota o la correa se puede remontar de nuevo a 17mo siglo o aún antes (cf. La fricción trabaja a máquina historia) El generador de de Graaff de la furgoneta fue desarrollado, comenzando adentro 1929, por el físico Roberto J. Van de Graaff en Universidad de Princeton. El primer modelo fue demostrado en octubre de 1929. [2] La primera máquina utilizó una cinta de seda comprada en a cinco y moneda de diez centavos almacén como la correa de transporte de la carga. En 1931 una versión capaz de producir 1.000.000 voltios fue descrita en un acceso de la patente. Esta versión tenía dos esferas de la acumulación de la carga de 60 centímetros de diámetro montadas encendido Pyrex columnas de cristal 180 centímetros de alto; el aparato costó solamente $90. Van de Graaff solicitó una patente en diciembre de 1931, a la cual fue asignado MIT a cambio de una parte de la renta neta. La patente fue concedida más adelante. En 1933 Van de Graaff construyó un modelo de 40 pies (12 m) en los MIT Colina redonda facilidad, el uso de la cual fue donado cerca Coronel Green. Un desarrollo más reciente es acelerador en tándem de Van de Graaff , conteniendo unos o más generadores de Van de Graaff, en los cuales cargó negativamente iones se aceleran con uno diferencia potencial antes de ser pelado de dos o más electrones, dentro de un terminal de alto voltaje, y aceleración otra vez. Uno de los aceleradores de Van de Graaff utilizó dos bóvedas cargadas de suficiente tamaño que cada uno de las bóvedas tuviera el interior de los laboratorios - uno para proporcionar la fuente de la viga acelerada, y el otro para analizar el experimento real. La energía para el equipo dentro de las bóvedas vino de los generadores que escurr la correa, y varias sesiones acabaron algo espectacular cuando una paloma intentaría volar entre las dos bóvedas - hacerlas descargar (el acelerador fue instalado en un hangar del aeroplano). Por los años 70, hasta 14 millones de voltios se podrían alcanzar en el terminal de un tándem que utilizó un tanque de la alta presión hexafluoride del sulfuro (SF6) gas a evitar el
chispear atrapando electrones. Esto permitió la generación de los haces iónicos pesados de varios diez de megaelectronvolts, suficientes estudiar reacciones nucleares directas del ion ligero. El potencial más alto sostenido por un acelerador de de Graaff de la furgoneta es 25.5 milivoltios, alcanzados por el tándem en la facilidad radiactiva de la viga de ion de Holifield en Laboratorio del nacional de la Oak Ridge. Otro desarrollo es pelletron, donde el caucho o correa de la tela es substituido por una cadena de las barras conductoras cortas conectadas por acoplamientos aisladores, y los electrodos de aire-ionización son substituidos por un rodillo puesto a tierra y un electrodo de carga inductivo. La cadena se puede funcionar a velocidad mucho más alta que una correa, y el voltaje y las corrientes alcanzables son mucho más altos que con una máquina convencional de Van de Graaff. La facilidad nuclear de la estructura, o NSF [3] en Laboratorio de Daresbury, fue propuesto en los años 70, comisionado en 1981 y abierto para los experimentos en 1983. Consistió en una Van en tándem de Graaff que funcionaba rutinariamente en 20 milivoltios, contenidos en un edificio distintivo 70 metros de alto. Durante su curso de la vida aceleró 80 diversos haces iónicos para el uso experimental, extendiéndose de los protones al uranio. Una característica particular era la capacidad acelera vigas isotópicas y radiactivas raras. Quizás el descubrimiento más importante hecho en el NSF era el de núcleos estupendodeformidos. Estos núcleos, cuando están formados de la fusión de elementos más ligeros, rotan muy rápidamente. El patrón de los rayos gama emitidos como retrasaron la información detallada proporcionada sobre la estructura interna del núcleo. Después de reducciones financieras, el NSF se cerró en 1993.
Generadores de Van de Graaff en la exhibición Uno de los generadores más grandes de Van de Graaff del mundo, construido por el Dr. Van de Graaff mismo, ahora está en la exhibición permanente en Boston Museo de la ciencia. Con dos conjoined 15 pies aluminio las esferas que están parados en columnas muchos pies altos, este generador pueden alcanzar a menudo 2 millones voltios. Demostraciones usando el generador y varios de de Graaff de la furgoneta Bobinas de Tesla se conducen varias veces cada día.
Comparación con otros generadores de alto voltaje Otras máquinas electrostáticas clásicas tienen gusto de un triplex Máquina de Wimshurst o una máquina de Bonetti[1] la poder produce fácilmente más actual, pero las estructuras aisladas dan lugar menos a voltajes más pequeños.
Generador Van de Graaff Les traigo un poco de ciencia, que además podemos hacer en casa. Información:
generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y fisica nuclear.
El generador consiste en una cinta transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por frotamiento a través del efecto triboeléctrico. Dentro del terminal, la carga es recolectada por una varilla metálica que se aproxima a la cinta. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo. Los generadores de Van De Graaff son máquinas especiales que se utilizan para que los estudiantes de física comprendan los fenómenos electrostáticos. Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931 Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de 1 megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. Sin embargo, en la mayor parte de los experimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y ciclotrones. Muchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos.Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El generador del Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta y dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre, y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.
Teoría
El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo. Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas. El primer generador electrostático fue construido por Robert Jamison Van der Graff en el año 1931 y desde entonces no sufrió modificaciones sustanciales.
Existen dos modelos básicos de generador:
el que origina la ionización del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red eléctrica y que crea un gran voltaje) el que se basa en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor externo sólo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el motor.
Nosotros vamos a construir y a estudiar uno de este último tipo, que coincide con los generadores didácticos que existen en los centros docentes. En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobre la correa y son transportadas hasta la parte interna de la cúpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga. Descripción
Consta de: 1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior. 2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje. 3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje. 4.- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera. 5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora). 6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano. Funcionamiento Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el rodillo superior hecho de metal. El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa. Ver escala triboeléctrica.
El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del “peine” metálico.
El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la banda, ioniza el aire. Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma. El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo. El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa . Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado. La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo. Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las del cilindro, pero estas no intervienen en los procesos de carga de la esfera. Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie. Parte superior Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correa. El peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.
Un generador de Van der Graff no funciona en el vacío. La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa. El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.
El campo creado en el “peine” por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con moléculas de aire. Las partículas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento eléctrico positivo). Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada. El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa.
Por el efecto Faraday (que explica el por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.
Principios en que se basa el GVG
Electrización por frotamiento -triboelectricidad- (ver electróforo). Faraday explicó la transmisión de carga a una esfera hueca. Cuando se transfiere carga a una esfera tocando en su interior, toda la carga pasa a la esfera porque las cargas de igual signo sobre la esfera se repelen y pasan a la superficie externa. No ocurre lo mismo si tratamos de pasarle carga a una esfera (hueca o maciza) tocando en su cara exterior con un objeto cargado. De esta manera no pasa toda la carga. Inducción de carga. Efecto de las puntas: ionización.
Trucos para afinar su funcionamiento Los rodillos y la correa son el alma del generador de Van der Graff y deben ser de los materiales mas adecuados (más separados en la escala triboeléctrica). Según la combinación de materiales con que se hagan los rodillos inferior, correa y rodillo superior, la esfera se cargará negativa o positivamente. Si el inferior es de aluminio, el superior de plástico y la correa de caucho sin grafito, la esfera se cargará positivamente. Razónalo observando las cargas que se inducen según la escala triboeléctrica. Los rodillos deben ser más anchos por el centro que por los lados (abombados) para que la presión sobre la correa elástica descienda del centro a los lados y haga que esta no escape al girar. La correa debe ser lo más fina posible para que su propia masa no la abombe al girar y la fuerza centrípeta originada no la impulse hacia los lados haciéndola oscilar. La cinta debe ser de color claro porque las oscuras tienen carbono y esto las hace conductoras y no aislantes.
