Generador Van der Graaf

Introducción

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.

El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del "peine" metálico.

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.

Principios en que se basa el generador Van der Graaf

• Electrización por frotamiento –triboelectricidad.

• 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 cargas.

FINALIDAD.

La finalidad de este proyecto es construir un generador Van de Graaff, de manera sencilla, con materiales de fácil adquisición en el mercado, y que se pueda aplicar algún concepto o teoría de las ciencias, en este caso de la Física, para cubrir los requisitos exigidos por la asignatura Física, de noveno grado.

MATERIALES

• Una lata vacía de refresco

• un pequeño clavo

• Una liga (banda de goma) grande de 1 o 2 cm de ancho y de 6 a 10 cm de largo

• Un fusible de unos 5 mmx20 mm

• Un pequeño motor de corriente contínua (de un juguete)

• Un vaso de papel parafinado)

• Pegamento instantáneo

• Dos cables de unos 15 cm de longitud

• Dos piezas de tubo de tubería plástica de ¾" PVC de 5 o 7 cm de longitud

• Acople de ¾" de PVC

• Un conector T de ¾" PVC

• Cinta adhesiva

• Un bloque de madera

PROCEDIMIENTO

Lo primero que hay que hacer es cortar una pieza de 5 a 7 centímetros de un tubo de 3/4 de pulgada de PVC y se lo encola a una base de madera. Esta pieza sujetará el generador y nos permitirá quitar con facilidad así como reemplazar a la banda de goma (liga) o hacer ajustes.

El conector T de PVC sujetará el pequeño motor. Para sujetar al motor es mejor envolver alrededor algo de cinta aislante. Se puede dejar el eje tal como está, pero es mejor ponerle algo de cinta aislante o un tubito de plástico para que actúe como polea para la banda de goma. Luego perforamos un agujero a un lado del conector T de PVC justo debajo de la polea del motor. Este agujero se usará para sujetar el "cepillo" inferior que es simplemente cable pelado en un extremo y que está casi tocando la banda de goma en la polea. Como se ve en la foto, el cable pelado se sujeta en si lugar con cinta adhesiva o pegamento. Se coloca la banda de goma en la polea y se deja que cuelgue del conector T. Ahora, cortamos unos 8 a 10 cm de tubo de 3/4 de PVC. Este irá sobre el conector T, con la banda de goma en el interior. Usamos un clavito para sujetar la banda de goma. El largo del tubo debe ser de la misma longitud que la banda de goma. Esta no debe estar muy estirada porque la fricción evitará que el motor gire.

Cortamos el vaso desde la base, dejando unos 2.5cm y cortamos un agujero del mismo diámetro que el tubo en la base y al medio. Introducimos el tubo PVC por este agujero.

Luego perforamos tres agujeros en el acople de PVC. Dos de estos tiene que estar en lugares opuestos porque sujetarán el clavito que actuará de eje para la banda de goma. El tercer agujero se encuentra entre los otros dos y sujetará el "cepillo" superior, el que, al igual que el de abajo se encuentra tan cerca que "casi" toca a la goma. El cepillo superior se sujeta al tubo de unión de PVC y el acople se pone en el tubo de 3/4 sobre el soporte de vaso. La banda de goma se jala por el acople y se lo sostiene en su lugar con el clavo. Se pela el cable y se le da unas vueltas para que los alambritos no se separen mucho. El otro extremo del cable se sujeta dentro de la lata de soda para que esté eléctricamente conectado al "cepillo".

Necesitamos un pequeño tubo de vidrio que funcione como polea de baja fricción y como complemento "triboeléctrico" de la banda de goma, ambos nos servirán para generar electricidad estática por fricción. El vidrio y la goma son muy buenos generadores de electricidad. El tubo se consigue de un fisible eléctrico. Los extremos metálicos se quitan con un soldador.

El tubito de vidrio no tiene imperfecciones y no se romperá facilmente. El siguiente paso es un poco difícil: metemos el clavito por uno de los agujeros en el tubo, luego se introduce el tubito de vidrio, después la banda de goma que debe estar sobre el tubito de vidrio y finalmente metemos el clavito en el orificio del frente. La banda de goma debe girar sobre el tubito de vidrio y este girar sobre el clavito. Ahora encolamos la base del vasito en el tubo de PVC. Es mejor usar silicona caliente para que ayude a que esté estable. Ahora ya podemos usar una lata de soda, estas se usan porque no tienen esquinas, lo cual minimiza la "descarga de corona". Con una cuchilla, corta un agujero en la base de la lata. Con el mismo borde del corte en la base, se hace sujetar el cable pelado del "cepillo" y se presiona la lata hasta que toque el vaso cortado. Finalmente, soldamos unos cables al motor para las pilas. Se pueden usar un par de pilas, o una batería de 9 voltios. Pero la batería hace girar demasiado rápido al motor y se rompe el tubo de vidrio, aunque el voltaje obtenido es más alto. Para hacer funcionar el Van de Graaff conecta las pilas. Si los "cepillos" están muy cerca, pero sin tocar a la banda de goma, sentirás una chsipa que sale de la lata de soda al acercar el dedo. Es buena idea sujetar con la otra mano el cable de abajo, del cepillo inferior. Se puede usar este aparato junto a las campanas de Franklin que se ve en esta misma revista.

FUNDAMENTACIÓN CIENTÍFICA:

Se basa en la electricidad estática que se genera por la fricción de la goma al moverse rápidamente, esta electricidad estática es recogida por el cepillo superior y transmitida a la lata de refrescos.

Anexos

Bibliografía

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/sacaleE_M2/Triboelecetricidad/vanderGraff/GeneradorEVG_Trabajo.htm

http://www.cienciafacil.com/vdg.html

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm

redexperimental.gob.mx

www.jpimentel.com/ciencias_experimentales/pagwebciencias/

es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff

http://www.tecnoedu.com/Pasco/SE8691.php

Autor:

Pablo Turmero