INTRODUCCION
La electricidad es un fenómeno físico que se manifiesta naturalmente en los rayos, rayos, las las desca descarg rgas as eléc eléctr tric icas as produ produci cidas das por el rozamiento (electricidad estática) estática) y en el funcionamiento de los sistemas nerviosos de los animales, incluidos los seres humanos. También se denomina electricidad a la rama de la ciencia que lo estudia y la rama de la tecnología que lo aplica. Desde que, en 1831, 1831, Faraday desc descubr ubrie iera ra la form forma a de prod produci ucir r corrientes corrientes eléctricas eléctricas por inducción, inducción, se ha convertido en una de las formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación, distribución y al gran número de aplicaciones que tiene. Entre uno de los mas importantes inventos de esos tiempos esta el Generador de Van der Graff, que es el proyecto que nosotros hemos escogido construir, en base a nuestros conocimientos, y la investigación del grupo.
INDICE
TEMA
No. DE PÁGINA
Objetivos
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Marco teórico
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Materiales
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Metodología
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Conclusiones
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Recomendaciones
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OBJETIVOS
Objetivo General:
•
Hacer un modelo de generador de Van der Graff en base a los diferentes hechos por los demás
Objetivos Específicos:
•
Crear en el estudiante una iniciativa de inventiva.
•
Capacitar al estudiante para desarrollar la teoría por medio de la práctica.
•
Aumentar en el alumno su capacidad de desarrollo práctico y científico.
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MARCO TEÓRICO
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. puntas. El primer generador electrostático fue construido por Robert Jamison Van der Graff en el año 1931 y desde entonces entonce s 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 corre correa, a, con con un gener generad ador or extern externo o de volt voltaj aje e (un (un apara aparato to dife diferen rente te 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.
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
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En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico
hueco
A
de
forma
aproxim aproximada adament mente e esféri esférica, ca, está está sosten sostenido ido 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 los pein peines es está están n muy muy próx próxim imas as pero 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 para ioni ioniza zarr el aire aire situ situad ado o entr entre e la punt punta a G y la cint cinta. a. El aire aire ioni ioniza zado do proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, continuación, al conductor conductor hueco A, debido a la propiedad propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco.
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Funcionamiento del generador de Van de Graaff
Se ha estudi estudiado ado cualit cualitati ativam vament ente e como como se produc produce e la electr electrici icidad dad estáti estática, ca, cuan cuando do se pone ponen n en cont contac acto to dos dos mate materi rial ales es no cond conduc ucto tore res. s. Ahora hora detallaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.
En primer lugar, lugar, se electrifica electrifica la superficie superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la 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 superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor Tenemos que elegir 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.
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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 superf superfic icie ie de la pole polea. a. Las Las molé molécu cula lass de aire aire en el espac espacio io entr entre e ambo amboss 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
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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 neutro en la polea superior E la cinta no transporta 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 cint cinta a carg carga a posi posititiva vame ment nte e el cond conduc ucto torr huec hueco o tant tanto o en su movi movimi mien ento to ascendente como descendente.
Principios en que se basa el GVG •
Electrización por frotamiento -triboelectricidad-
•
Faraday explicó la transmisión de carga a una esfera hueca. Cuando se transfiere transfiere carga a una esfera tocando en su interior, 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: puntas : ionización.
Trucos 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). triboeléctrica). Según la combinación de materiales con que se hagan los rodillos inferior, correa correa y rodi rodillllo o supe superi rior or,, la esfe esfera ra se cargar cargará á nega negatitiva va o posi posititivam vament ente. e. Si el inferior es de aluminio, el superior de plástico y la correa de caucho sin
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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) (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. Cuando se introduce un conductor 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.
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MATERIALES
Entre los materiales que utilizamos para la construcción de nuestro proyecto con sus precios están:
CANT. 2 6 10 1 metro 2 0.25 lbs. 2 1 1 1 1
MATERIALES NOMBRE Cucharones de aluminio Tornillo goloso 10X ¾” Tornillo niquelado 6X1/2” Tubo PVC 2.1/2” Pegamento super glue Alambre esmaltado Poleas plasticas Tubo de aluminio torneado Banda de hule Bandas de latex Motor de 12 voltios
COSTOS ($) UNIDAD TOTAL 2.50 5.00 0.03 0.18 0.02 0.20 3.81 3.81 1.10 2.20 2.30 2.30 1.16 2.32 5.00 5.00 0.69 0.69 3.39 3.39 2.00 2.00 TOTAL $27.09
METODOLOGIA
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Para la elaboración de nuestro proyecto “el generador de Van der Graff” primero buscamos información acerca de el y ciertos modelos que han sido elaborados por otras personas para poder basarnos en ellos y así poder llegar a igualarlos o mejorarlos, en el mejor de los casos. Luego de tener un modelo a seguir, realizamos una lista de materiales para poder empezar su construcción física. Primeramente buscamos como hacer una esfera hueca que seria la parte superior de nuestro proyecto y en la que va el corazón de todo el proceso, ya que es en ella donde se da la carga de electrones para que luego la esfera genere cierto voltaje en su superficie y alrededor de ella, para ello pensamos en un par de cucharones de aluminio, (ver figura 1) para que al unirlos nos quede lo mas parecido a una esfera. En base al diámetro de los cucharones elaboramos las medidas que llevaría el eje rotor de la parte superior, (ver figura 2) que seria el eje por el cual pasara la banda dentro de la esfera, el cual es de aluminio, tiene 6 centímetros de largo y forma de barril para un mejor contacto con la banda.
Figura 1.
Figura 2.
Después de esto decidimos decidimos la distancia de eje a eje para ver la altura altura de lo que seria los soportes de fibra de vidrio que detienen los ejes (ver figura 3) sobre los cuales girara la banda (ver figura 4). Luego seguimos con el montaje del rotor inferior el cual es de plástico, taladramos un agujero en cada soporte para 11
introducir el eje sobre el cual girara el rotor y colocamos una polea del lado exterior que seria por donde se transporta el movimiento a los ejes que vendrá del motor de 12 voltios voltios y con un conjunto de cables de cobre los cuales servirán para crear el campo eléctrico (ver figuras 5), tanto en el eje de arriba como en el de abajo.
Figura 3.
Figura 4.
Figuras 5.
Como el motor que utilizamos es de 12 voltios (ver figura 6) nos vimos en la necesidad de utilizar una fuente de 12 voltios para poder utilizar la corriente 12
alterna (ver figura 7) y de esta manera poder utilizar el motor, dándole el movimiento al eje inferior y consiguiendo así el movimiento de la banda.
Figura 6.
Figura 7.
Con todo este procedimiento dimos por terminado nuestro proyecto, junto con muchas inconvenientes que se nos fueron dando en el camino. Por lo que a continuación están las imágenes del proyecto terminado desde diferentes vistas.
Diferentes vistas de nuestro generador generad or de Van der Graff.
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Vista de planta
Vista Lateral Izquierda
Vista Frontal
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CONCLUSIONES
Como grupo concluimos concluimos que el generador de Van der Graff ha sido un proyecto proyecto que nos ha ayudado a desarrollar nuestras ideas y a respetar a los de los demás, y que por muy sencillo sencillo o muy complicado complicado que sea el trabajo trabajo siempre se presentan obstáculos que cuesta superar pero con la ayuda de ideas y la inventiva, estos se van evitando poco a poco y de esta manera lo lo solucionamos en conjun conjunto. to. Además, Además, aprendi aprendimos mos la import importanc ancia ia de la combin combinaci ación ón de los materiales a utilizar porque de ellos depende el éxito del proyecto y la diferencia de los motores, ya que utilizamos varios mientras construíamos el proyecto.
RECOMENDACIONES 15
Es recomendable el buen uso de los materiales a utilizar, tanto en los rodillos, como en la banda transportadora, pues de ellos depende el buen funcionamiento del proyecto. Además, recomendamos la unión del grupo, pues a la hora de encontrarnos con algún problema, es mejor pensar en grupo que uno solo. Y hay que tener mucho cuidado con los motores, pues no todos se pueden conectar directamente a la corriente alterna, sino que necesitamos de fuentes de voltaje para el buen funcionamiento de los que lo necesitan.
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