GENERADOR DE VAN DER GRAFF
CONCEPTO
El generador
de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza 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 incluyen la producción de rayos X,
esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física
nuclear.
HISTORIA
Este tipo de
generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van
de Graaff en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física
nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar
contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos
informan de las características de los núcleos del material que constituye el
blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931
Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de
potencial de 1 megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad
capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores al generador de Van
de Graaff pero directamente emparentados con él. Sin embargo, en la mayor parte
de los experimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas
se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y
ciclotrones. Muchos 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 batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es
la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.
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.
OREJON
Uno de los
generadores más grandes de Van de Graaff del mundo, construido por el mismo
Robert J. Van de Graaff, está ahora en exhibición permanente en el museo de
Boston de la ciencia. Con dos esferas de aluminio conjuntas de 4,5 metros que
están estáticas en unas columnas altas, este generador puede alcanzar a menudo
2 millones de Voltios.
DESCRICION
El generador
de Van de Graaff está constituido
básicamente por un motor, una correa aislante, dos mallas de aluminio, dos
semiesferas huecas de acero donde irá acumulándose la carga que transporte la
correa.
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 GVG
- 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 carga. Efecto de las puntas: ionización.
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).
Según la combinación de
materiales con que se hagan los rodillos inferior, correa y rodillo superior,
la esfera se cargará negativa o positivamente.
Si el inferior es de aluminio,
el superior de plástico y la correa de caucho sin 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) 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.
EXPERIENCIAS A REALIZAR CON EL
GENERADOR VAN DER GRAFF CONSTRUIDO.
A continuación, vamos a
comentar una serie de experiencias que se pueden realizar con el generador
construido y que pueden ser muy didácticas para explicar distintos conceptos,
tales como la carga, campo eléctrico, jaula de Faraday, entre otros. Son
ejemplos muy sencillos que suelen llamar la atención del público en general y
despiertan el interés de niños que están empezando a adentrarse en el mundo de
la física.
Carga y repulsión de pequeños
cuerpos. Con un mechón de pelos o con
trozos de papel higiénico cortados en flecos, sujetados con un alambre que esté
a su vez en contacto con la esfera.
Viento iónico. Pegamos una aguja metálica a la esfera y
acercamos a ella una vela encendida se puede observar como se mueve la llama.
La persona que este cercana a la punta se va a ir cargando eléctricamente
(terminará descargándose, pero es inofensivo, ya que la intensidad es baja).
Motor iónico. Pegamos una aguja metálica a la esfera y
sobre la punta de esta colocamos unas hélices metálicas (pueden hacerse con
papel de aluminio con un agujero en el centro para introducir por ahí la aguja)
de forma que estas puedan girar pero no salgan despedidas (para ello podemos
doblar un poco la punta de la aguja).
Descarga. Tomamos un objeto
que esté conectado a tierra, y lo acercamos una vez haya pasado algunos
segundos que se haya puesto en marcha el generador. En función del voltaje que
nuestro generador alcance y la humedad del ambiente la chispa que se visualiza
será de mayor o menos tamaño. Es
recomendable para conseguir la menos humedad posible, que el Van der Graaff se
ponga a funcionar en un lugar donde haya aire acondicionado, o bien previamente
pasar un secador de pelo con aire caliente por la zona de la esfera.
.jpg)
Carga de una persona. Para
esta experiencia es recomendable buscar a una persona con cabello, largo, fino
y limpio. No debe hacerse con persona que tenga problemas cardiacos. Si pone su
mano sobre la esfera antes de encenderla y está un tiempo con ella puesta
cuando el generador esta funcionando, puede llegar a observarse que los pelos
se le ponen de punta (siempre que haya buenas condiciones). Si esa persona pone
la mano una vez esta en funcionamiento va a sentir una descarga (inofensiva ya
que la intensidad es muy baja).
Campo eléctrico. Podemos observarlo con un electroscopio,
también muy fácil de construir de forma casera. Podemos encontrar varios
ejemplos de ello en internet, inclusive en el apartado de I Concurso CPAN, ya
que fue uno de los trabajos ganadores la pasada edición.
Jaula de Faraday. Si colocamos
el electroscopio en el interior de una malla metálica y lo a acercamos al
generador, observamos que no se produce el efecto que veíamos con la
experiencia explicada en el apartado anterior.
