I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A) Problema:
¿De qué manera se podrá construir un simple generador de
Van de Graff, utilizando materiales sencillos y reciclados?
II.
MARCO TEÓRICO
La
energía estática
La energía estática o electrostática estudia
los cambios producidos por la distribución de cargas eléctricas diferentes y el
equilibrio estático de los cuerpos en reposo, esta aparece principalmente en el
efecto de fricción de los cuerpos, esto genera una acumulación de cargas que
hacen que un cuerpo gane o pierda electrones tanto positivos como negativos.
La energía estática se
produce por la fricción; el frote o el rose de ciertos materiales conductores
causando que los electrones pacen de un cuerpo a otro quedando uno siempre más
negativo que el otro variando según la fuerza que se ejerza sobre ellos,
correspondiendo a la tercera ley de newton que dice que “A toda acción
corresponde una reacción igual y opuesta”.
Cuando las cargas
eléctricas generadas por la estática son estacionarias se producen diferentes
fuerzas en el mismo espacio en el que se está produciendo la energía. Por el
otro lado las fuerzas pueden aplicarse, transmitirse o multiplicarse mediante
el empleo de las maquinas simples; pero cuando la energía esta en movimiento
produce unos efectos.
En la energía estática
se produce un efecto llamado efecto Triboélectrico que es un tipo de
electrificación causada por la polaridad, es decir, las fuerzas de las cargas
producidas por diferentes cuerpos y el rozamiento de los mismos.
El físico Charles
Agustín de coulomb (1736_1806) fue quien en 1765 determino la ley por la que se
regían las manifestaciones eléctricas y estableció que en los cuerpos
electrizados las acciones eléctricas entre ellos son directamente proporcional
al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadro de la distancia
que los separa, dependiendo del medio (aire, agua, vacío, etc.) en que ambos se
encuentran.
La electricidad estática
se caracteriza porque el movimiento de electrones se realiza entre dos cuerpos
diferentes. El equilibrio de un cuerpo neutro puede alterarse por frotamiento o
por contacto con otro cuerpo, como se a descrito anteriormente.
Uno de los generadores de energía que utiliza
la energía estática es el de van de Graf, creado por el físico
estadounidense Robert J. Van de Graff Carreo (Nació en Alabama el 20 de
diciembre de 1901 y murió 16 de enero de1967), empezó
realizando experimentos de física nuclear y aceleración de partículas con
cargas, y en 1931 produjo un generador que lleva su nombre el cual podía
alcanzar una diferencia de 1 mega voltio, con el fin de producir una diferencia
de potencias muy alta y así poder acelera las partículas muy cargada. Más
adelante decidió crear uno más grande, que podría generar 7 mega voltios. Con
este invento logro ser parte del Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT).
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
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.
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.
 |
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 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.
III. MATERIALES
Y MÉTODO
MATERIALES:
-
Un
pequeño clavo
-
Una
liga (banda de goma grande) de 1 0 2 centímetros de ancho y de 6 a 10
centímetros de ancho.
-
Un
fusible de 5x2 milímetros
-
Un
pequeño motor de corriente continua ( sacado de un juguete)
-
Una
lata de aluminio (lata de gaseosa)
-
Pegamento
instantáneo
-
Dos
cables de 15 centímetros de longitud
-
Dos
piezas de tubo de tubería plástica de ¾ de pulgada PVC de 5 o 7 centímetros de
longitud
-
Acope
de ¾ de PVC
-
Un
conector T de PVC
-
Cinta
adhesiva
-
Un
bloque de madera.
Fig.
01. Materiales a usar en nuestro proyecto
PROCEDIMIENTO:
a.
Lo
primero que hay que hacer es cortar una pieza de 5 a 7 cm. de un tubo de ¾ de
pulgada de PVC la cual será colocada en una base de madera.
b.
Luego
perforamos un agujero a un lado del conectador T de PVC justo debajo de la
polea del motor. Este agujero se usara para sujetar el “cepillo” inferior que
es simplemente cable pelado en un extremo y que está casi tomando la banda de
goma en la polea, donde luego el cable pelado se sujeta con cinta adhesiva o
pegamento.
c. El conector de PVC sujetara el pequeño motor, luego se le asegurara con cinta aislante a su alrededor.
a d. Se
coloca la banda de goma en la polea y se deja cuelgue del conector T
e e. 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.
f. f. Cortamos
la lata de aluminio en su parte superior, y cortamos un pedazo de cartón, que
servirá de soporte a la lata, del mismo
diámetro que el tubo en la base y al medio. Introducimos el tubo PVC por este.
e g. Luego
perfóranos 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 de plastoform.
Lh. 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".
i.i. 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 fusible eléctrico. Los extremos metálicos se quitan con un
soldador.
j. j.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.
k. La
banda de goma debe girar sobre el tubito de vidrio y este girar sobre el
clavito.
l.l. Ahora
encolamos la base del vasito en el tubo de PVC. Es mejor 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, y finalmente, soldamos
unos cables al motor para las pilas.
m.
Finalmente
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 chispa 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.
IV. RESULTADOS
-
Se
logró en forma óptima la construcción del generador de Van de Graff a partir de
materiales sencillos y de bajo costo. Con este generador se logra demostrar la
generación de corriente eléctrica, utilizando materiales que permiten el paso
de electrones con facilidad (faja de goma).
-
Al estar en movimiento continuo el caucho (faja de goma), se liberan unos electrones los cueles
hacen que se cargue la lata y producen el campo magnético.
-
El
uso del generador es de fácil manejo sin correr ningún riesgo.
-
Sirve
como material didáctico para explicar fenómenos de electricidad.