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