Modelo de generador de Van der Graff

INTRODUCCION
La electricidad es un fenómeno fÃ-sico que se manifiesta naturalmente en los rayos, las descargas
eléctricas producidas por el rozamiento (electricidad 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 tecnologÃ-a que lo aplica. Desde que, en 1831, Faraday descubriera la
forma de producir corrientes eléctricas por inducción, se ha convertido en una de las formas de energÃ-a
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 PÃGINA
Objetivos 4
Marco teórico 5
Materiales 10
MetodologÃ-a 11
Conclusiones 16
Recomendaciones 17
OBJETIVOS
Objetivo General:
• Hacer un modelo de generador de Van der Graff en base a los diferentes hechos por los demás
Objetivos EspecÃ-ficos:
• Crear en el estudiante una iniciativa de inventiva.
• Capacitar al estudiante para desarrollar la teorÃ-a por medio de la práctica.
• Aumentar en el alumno su capacidad de desarrollo práctico y cientÃ-fico.
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.
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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.
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
En la figura, se muestra un esquema del generador de Van
de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma
aproximadamente esférica, está sostenido 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 peines están muy próximas pero no tocan a
la cinta.
Â
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 ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el
medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la
propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco.
Funcionamiento del generador de Van de Graaff
Se ha estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos
materiales no conductores. Ahora detallaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el
terminal esférico.
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En primer lugar, se electrifica la 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 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.
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 superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio
entre ambos elementos se ionizan, creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta
metálica hacia la cinta.
Las cargas negativas son atraÃ-das 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.
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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
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 en la polea superior E la cinta no 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 cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento 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 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 centrÃ-peta
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 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 podrÃ-a repetir muchas veces, aumentando la carga del conductor hueco
indefinidamente. De hecho, existe un lÃ-mite 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.
MATERIALES
Entre los materiales que utilizamos para la construcción de nuestro proyecto con sus precios están:
MATERIALES
COSTOS ($)
4
CANT.
2
6
10
1 metro
2
0.25 lbs.
2
1
1
1
1
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
UNIDAD
2.50
0.03
0.02
3.81
1.10
2.30
1.16
5.00
0.69
3.39
2.00
TOTAL
TOTAL
5.00
0.18
0.20
3.81
2.20
2.30
2.32
5.00
0.69
3.39
2.00
$27.09
METODOLOGIA
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 asÃpoder 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
fÃ-sica. 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 llevarÃ-a 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
centÃ-metros de largo y forma de barril para un mejor contacto con la banda.
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Figura 1. Figura 2.
Después de esto decidimos la distancia de eje a eje para ver la 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 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 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.
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Figura 3. Figura 4.
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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 alterna (ver figura 7) y de esta manera poder utilizar el motor,
dándole el movimiento al eje inferior y consiguiendo asÃ- el movimiento de la banda.
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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 de Van der Graff.
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Vista de planta
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Vista Lateral Izquierda Vista Frontal
CONCLUSIONES
Como grupo concluimos que el generador de Van der Graff ha sido un proyecto que nos ha ayudado a
desarrollar nuestras ideas y a respetar a los de los demás, y que por muy sencillo o muy complicado que sea
el 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 solucionamos en conjunto. Además, aprendimos la
importancia de la combinación de los materiales a utilizar porque de ellos depende el éxito del proyecto y
la diferencia de los motores, ya que utilizamos varios mientras construÃ-amos el proyecto.
RECOMENDACIONES
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
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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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