GENERADOR DE VAN DER GRAFF CONCEPTO
El generador de Van Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza u tiliza 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 incluen la producción de raos !" esterilización de alimentos e#perimentos de física de partículas física nuclear. HISTORIA Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico $o%ert &. Van de Graaff en el '() alrededor de *+,+ para realizar e#perimentos e #perimentos en física nuclear en los que se acelera%an partículas cargadas que se hacían chocar contra %lancos fi-os a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los ncleos del material que constitue el %lanco. El primer modelo funcional fue e#hi%ido en octu%re de *+,+ para *+/* Van de Graaff ha%ía producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de * megavoltio. En la actualidad e#isten generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de volta-e mu superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. 0in em%argo" en la maor parte de los e#perimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración ciclotrones. 'uchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos. El generador del Van der Graaff es un generador de corriente constante" mientras que la %atería es un generador de volta-e constante" lo que cam%ia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. Existen dos modelos básicos de generdor!
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el que origina la ionización del aire situado en su parte inferior" frente a la correa" con un generador e#terno de volta-e 1un aparato diferente conectado a la red eléctrica que crea un gran volta-e2 el que se %asa en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor e#terno sólo se emplea para mover la correa la electrización se produce por contacto. 3odemos moverlo a mano con una manivela funciona igual que con el motor. ORE"ON 4no de los generadores más grandes de Van de Graaff del mundo" construido por el mismo $o%ert &. Van de Graaff" está ahora en e#hi%ición permanente en el museo de oston de la ciencia. 6on dos esferas de aluminio con-untas de 7"5 metros que están estáticas en unas columnas altas" este generador puede alcanzar a menudo , millones de Voltios. DESCRICION El generador de Van de Graaff está constituido %ásicamente por un motor" una correa aislante" dos mallas de aluminio" dos semiesferas huecas de acero donde irá acumulándose la carga que transporte la correa. 6onsta de8
*.9 4na esfera metálica hueca en la parte superior. ,.9 4na columna aislante de apoo que no se ve en el dise:o de la izquierda" pero que es necesaria para soportar el monta-e. /.9 ;os rodillos de diferentes materiales8 el superior" que gira li%re arrastrado por la correa el inferior movido por un motor conectado a su e-e. 7.9 ;os
5.9 4na correa transportadora de material aislante 1el ser de color claro indica que no lleva componentes de car%ono que la harían conductora2. >.9 4n motor eléctrico montado so%re una %ase aislante cuo e-e tam%ién es el e-e del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engrana-e con manivela para mover todo a mano. F#NCIONA$IENTO 4na correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior la de-a en la parte interna de la esfera superior. Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recu%ierto de moqueta de fi%ra el rodillo superior hecho de metal. El rodillo inferior está fuertemente electrizado 1?2" por el contacto separación 1no es un fenómeno de rozamiento2 con la superficie interna de la correa de caucho. 0e electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho del material de la correa. El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suas en las puntas del
El aire ionizado forma un plasma conductor 9efecto 6orona9 al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo. El aire se vuelve conductor" los electrones golpean otras moléculas" las ionizan" son repelidas por las puntas aca%ando por depositarse so%re la superficie e#terna de la correa. Las cargas eléctricas negativas 1moléculas de aire con carga negativa2 adheridas a la superficie e#terna de la correa se desplazan hacia arri%a. @rente a las puntas inferiores el proceso se repite el suministro de carga está garantizado. La carga del rodillo inferior es mu intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada no se retira" mientras que las cargas depositadas en la cara e#terna de la correa se distri%uen en toda la superficie" cu%riéndola a medida que
va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que so%re el rodillo. 3or 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. $ecuerda que la correa no es conductora la carga depositada so%re ella no se mueve so%re su superficie. 3arte superior 0upongamos 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 e#terna de la correa. El peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera. 4n generador de Van der Graff no funciona en el vacío. La eficacia depende de los materiales de los rodillos 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 contri%uen a que las cargas negativas se vaan hacia la parte interna de la esfera. El campo creado en el
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Princi%ios en &'e se bs GVG Electrización por frotamiento Atri%oelectricidad. @arada e#plicó la transmisión de carga a una esfera hueca. 6uando se transfiere carga a una esfera tocando en su interior" toda la carga pasa a la esfera porque las cargas de igual signo so%re la esfera se repelen pasan a la superficie e#terna. Bo ocurre lo mismo si tratamos de pasarle carga a una esfera 1hueca o maciza2 tocando en su cara e#terior con un o%-eto cargado. ;e esta manera no pasa toda la carga. (nducción de carga. Efecto de las puntas8 ionización. Tr'cos %r (inr s' ('ncionmiento
Los rodillos la correa son el alma del generador de Van der Graff de%en ser de los materiales mas adecuados 1más separados en la escala tri%oeléctrica2. 0egn la com%inación de materiales con que se hagan los rodillos inferior" correa rodillo superior" la esfera se cargará negativa o positivamente. 0i el inferior es de aluminio" el superior de plástico la correa de caucho sin grafito" la esfera se cargará positivamente. $azónalo o%servando las cargas que se inducen segn la escala tri%oeléctrica. Los rodillos de%en ser más anchos por el centro que por los lados 1a%om%ados2 para que la presión so%re la correa elástica descienda del centro a los lados haga que esta no escape al girar. La correa de%e ser lo más fina posi%le para que su propia masa no la a%om%e al girar la fuerza centrípeta originada no la impulse hacia los lados haciéndola oscilar. La cinta de%e ser de color claro porque las oscuras tienen car%ono esto las hace conductoras no aislantes. E)PERIENCIAS A REA*I+AR CON E* GENERADOR VAN DER GRAFF CONSTR#IDO!
C continuación" vamos a comentar una serie de e#periencias que se pueden realizar con el generador construido que pueden ser mu didácticas para e#plicar distintos conceptos" tales como la carga" campo eléctrico" -aula de @arada" entre otros. 0on e-emplos mu sencillos que suelen llamar la atención del p%lico en general despiertan el interés de ni:os que están empezando a adentrarse en el mundo de la física. Carga y repulsión de pequeños cuerpos. 6on un mechón de pelos o con trozos de papel higiénico cortados en flecos" su-etados con un alam%re que esté a su vez en contacto con la esfera. Viento iónico. 3egamos una agu-a metálica a la esfera acercamos a ella una vela encendida se puede o%servar como se mueve la llama. La persona que este cercana a la punta se va a ir cargando eléctricamente 1terminará descargándose" pero es inofensivo" a que la intensidad es %a-a2. Motor iónico. 3egamos una agu-a metálica a la esfera so%re la punta de esta colocamos unas hélices metálicas 1pueden hacerse con papel de aluminio con un
agu-ero en el centro para introducir por ahí la agu-a2 de forma que estas puedan girar pero no salgan despedidas 1para ello podemos do%lar un poco la punta de la agu-a2. Descarga. )omamos un o%-eto que esté conectado a tierra" lo acercamos una vez haa pasado algunos segundos que se haa puesto en marcha el generador. En función del volta-e que nuestro generador alcance la humedad del am%iente la chispa que se visualiza será de maor o menos tama:o. Es recomenda%le para conseguir la menos humedad posi%le" que el Van der Graaff se ponga a funcionar en un lugar donde haa aire acondicionado" o %ien previamente pasar un secador de pelo con aire caliente por la zona de la esfera.
Carga de una persona. 3ara esta e#periencia es recomenda%le %uscar a una persona con ca%ello" largo" fino limpio. Bo de%e hacerse con persona que tenga pro%lemas cardiacos. 0i pone su mano so%re la esfera antes de encenderla está un tiempo con ella puesta cuando el generador esta funcionando" puede llegar a o%servarse que los pelos se le ponen de punta 1siempre que haa %uenas condiciones2. 0i esa persona pone la mano una vez esta en funcionamiento va a sentir una descarga 1inofensiva a que la intensidad es mu %a-a2. Campo eléctrico. 3odemos o%servarlo con un electroscopio" tam%ién mu fácil de construir de forma casera. 3odemos encontrar varios e-emplos de ello en internet" inclusive en el apartado de ( 6oncurso 63CB" a que fue uno de los tra%a-os ganadores la pasada edición. Jaula de Faraday. 0i colocamos el electroscopio en el interior de una malla metálica lo a acercamos al generador" o%servamos que no se produce el efecto que veíamos con la e#periencia e#plicada en el apartado anterior.
APLICACIONES:
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El g en er a do rd eVa nd erGr a ffs ehaut i l i z a dopa r al apr o du c c i ó nd er a y o sXq ues onmu y u t i l i z adosenel c ampodel ame di c i na.
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Seus aademáspar ael i mi n armi c r oor g ani s mosyv i r usdeal i ment os .( Es t er i l i z ac i ón)
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Esl ab as epar av ar i osex per i ment osenel c ampodel af í s i c adep ar t í c ul asyf í s i c anu cl ear .
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Une j e mp l omu yc o mú nd el c a mp oe l é c t r i c oe nl av i d ar e al s epr o du c ee nl a sb oc i n as ,y a q ues i ne st en oha br í ar e s on an ci aypo rl ot a nt ot amp oc os on i d o Ot r oej e mp l oese nl a sge ne r a do r a sdepr e s ashi dr o el é ct r i c as ,y aqu ec onel a gu ah ac en g i r a ru ng en er a dorqu ep r o duc ee l e ct r i c i d ade nb as eaunc amp oel é ct r i c o Es t et i podegener adort i eneunai nt ens aut i l i z ac i ónenl ai nv es t i gac i óndel af í s i c anuc l ear . L osgen er a do r e sv a nd eg r a affr ec i b endi f e r e nc i a sd epo t e nc i al d eh as t a2 0mi l l o ne sd e v ol t i os .Lospr ot onesac el er adosat r av ésdedi f er enc i asdepot enc i al t angr andesr ec i ben s ufi ci ent eener gí apar ai ni c i arr eac ci onesnuc l ear esent r eel l osyent r e di f er ent esnúc l eosobj et i v o.
CONCLUSIONES:
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'iguel8 Clgo mu importante de este e#perimento es que se de%e escoger mu %ien los materiales que vaan a hacer fricción" a que seria un error al no elegirlos de manera correcta por consecuente no se generarían las cargas. C%igail8 6on la realización de este proecto se puede concluir que la fricción o rozamiento es una %uena forma de electrizar un cuerpo. Cdemás se pudo apreciar la transferencia de cargas a un conductor hueco por el efecto puntas mientras me-or sea la fricción de la %anda las poleas" maor será la carga dependiendo del material. El generador de Van der Graaff es un %uen e-emplo para el entendimiento de la energia estática. 0e%astian8 'ientras más distantes se encuentren los materiales a e lectrizar en las series tur%oeléctricas me-or será el resultado. 3or e-emplo" el vidrio el teflón. 6ristian8 0e de%e utilizar una %anda firme algo gruesa para el %uen transporte de cargas" a que la fricción es a%solutamente necesaria para ver el funcionamiento del generador" sin una %uen fricción no se puede o%servar un campo electroestático.
