Proyecto Final Generador Van Der Graaff 1i145i

Republica Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño Extensión Barinas

Generador de Van de Graaff

Integrantes: Raúl Castro Rebeca Hernández Ignacio Rivero

Generador de Van de Graaff Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff en el MIT alrededor de 1929, fue utilizado para realizar experimentos en física nuclear, su función era acelerar partículas cargadas y las hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de estos choques nos indican 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 un mega voltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superior al generador de Van Graaff pero directamente vinculado con él. El acelerador de Van de Graaff consta de un cilindro metálico alto, con una cúpula metálica hueca en su extremo superior. Una cinta transportadora de seda pasa por el centro del cilindro. En el fondo de éste, la cinta reúne cargas positivas de una fuente de alto voltaje. Las cargas positivas se desplazan por la cinta hasta la parte superior del cilindro, donde se depositan sobre la parte exterior de la cúpula de la cúspide del dispositivo. Cuanto más larga es la cinta, más cargas positivas se acumulan en la cúpula. El acelerador de Van de Graaff original podía producir una acumulación de carga con una energía de 80.000 voltios, aunque mejoras ulteriores elevaron este valor hasta los 5.000.000 de voltios. Existen dos modelos básicos de generador: 

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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 o. En este modelo el motor externo sólo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por o. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el motor. Principios en que se basa el Generador de Van de Graaff

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Electrización por frotamiento triboelectricidad. La transmisión de carga a una esfera hueca según Faraday. 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.

Descripción de un generador Van de Graaff

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 de un Generador Van de Graaff

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 o 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. La correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie. Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por o 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.

Fases de construcción del proyecto

I Fase Búsqueda de Materiales -Una lata vacía - Un 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 5x20 millimetros - Un pequeño motor de corriente contínua (de un juguete) - Un vaso de plástico espumado - Pega - Dos cables de unos 15 cm de longitud - Dos piezas de tubería plástica de 3/4 de pulgada PVC de 5 o 7 cm de longitud - Acople de 3/4 de PVC - Un conector T de 3/4 PVC - Cinta adhesiva - Una tabla de madera II Fase Construcción del generador 1. Se corta una pieza de 5 a 7 centímetros de un tubo de 3/4 de pulgada de PVC y se pega a una base de madera. Esta pieza sujetará el generador y nos permitirá quitarlo con facilidad así como reemplazar a la banda de goma (liga) o hacer ajustes. 2. El conector T de PVC sujetará el pequeño motor. Para sujetar al motor es mejor envolver alrededor con cinta adhesiva. Se puede dejar el eje tal como está, pero es mejor colocarle algo de cinta adhesiva o un tubito de plástico para que actúe como polea para la banda de goma. 3. 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. El cable pelado se sujeta con cinta adhesiva o pegamento. 4. Se coloca la banda de goma en la polea y se deja que cuelgue del conector T. 5. Luego cortamos unos 8 a 10 cm de tubo de 3/4 de PVC. El cual 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. 6. Seguidamente 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.

7. Luego perforamos tres agujeros en el acople de PVC. Dos de estos tiene que estar en lugares opuestos porque sujetarán el clavo que actuará de eje para la banda de goma. El tercer agujero se encuentra entre los otros dos y sujetará el cable superior, el que, al igual que el de abajo se encuentra tan cerca que "casi" toca a la goma. 8. El cable 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. 9. 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. 10. Finalmente el fusible de vidrio, los extremos metálicos se quitan con un cautín. se utiliza el tubito de vidrio para que funcione como polea de baja fricción y como complemento "triboeléctrico" de la banda de goma, ambos nos servirían para generar electricidad estática por fricción.

III Fase Pruebas de Funcionamiento El motor hace girar la goma, nuestro Van de Graaff usa un tubo de vidrio y una banda de goma. Esta roba electrones del tubo de vidrio, dejándolo con carga positiva, mientras que la goma se queda con carga negativa. Es lo que conocemos como carga triboeléctrica. La banda de goma es más grande que el tubo de vidrio, los electrones robados del vidrio se distribuyen por toda la banda de goma. La carga positiva del vidrio atrae electrones del cable en el cepillo superior. Estos electrones cargan el aire saliendo de las puntas del cable. El aire es repelido por el cable y atraído al vidrio. Pero el aire cargado no puede llegar al vidrio, porque la banda de goma se interpone. El aire cargado llega a la goma y le transfieren electrones. La banda de goma llega al electrones del cable son alejados y se van a tierra o a la persona que está agarrando el cable. Las puntas del cable inferior son ahora positivas y ellas halan a los electrones de cualquier molécula de aire que las toque. Estas moléculas positivamente cargadas son repelidas por el cable con la misma carga y son atraídas por los electrones de la goma. Cuando llegan a ésta, recoge de nuevo sus electrones y la goma y el aire pierden su carga. La banda de goma está ahora lista para robar más electrones del tubo de vidrio. El cable de arriba está conectado a la lata de soda. Tiene carga positiva y atrae electrones de la lata, las cargas positivas de la lata se alejan unas de otras. Se transfieren electrones de la lata de soda hacia tierra, usando la banda de goma para esto. El Aire se ioniza en un campo eléctrico de unos 50 000 voltios por centímetro. El aire ionizado conduce la electricidad como un cable. Se puede ver el aire ionizado conduciendo electricidad cuando se calienta tanto que emite luz, en este caso le llamamos chispa eléctrica. Tomamos papel de servilleta y cortamos tiras. Pegamos con cinta adhesiva los extremos y luego sujetamos al generador Van de Graaff. Se verá como si la lata de soda tuviera cabello. Al encender el Van de Graaff, notamos que las tiras de papel adquieren la misma carga y se repelen las unas con las otra, al igual sucede si una persona toca el generador se le paran los pelos del cabello.

CONCLUSION Después de diseñar y analizar para llevar a cabo el funcionamiento del Generador de Van de Graaff se concluye que la estructura que optimiza un funcionamiento continuo del generador de Van de Graff es la estructura de la lata conductora; debe tener forma simétrica y no debe presentar ángulos en su estructura de 90 grados, puntas o resaltos sobre salientes, El voltaje almacenado en la estructura de la lata recortada es proporcional al radio de la misma. El tiempo de carga es importante y es proporcional a la velocidad del motor. La estructura del cuerpo Tubular elaborada en tubo de PVC aguas lluvias de 1/2¨ presenta deformación después de uso prolongado en las perforaciones que soportan los rodamientos de los ejes de los rodillos Superior e Inferior, debido al calentamiento que generan los rodamientos al girar a altas revoluciones. Se encontró una solución óptima al ser remplazado el tubo de PVC aguas lluvia por uno de presión. El prototipo desarrollado Generador de Van de Graaff genera voltajes más elevados en los días soleados. El Generador Van de Graaff experimental presenta pérdidas y debilidad del campo estático debido a la misma naturaleza y fabricación empírica de los materiales que lo conforman. La lata presenta pérdidas de campo en los extremos tanto en el cable de tierra como el extremo del fusible. Se observa una mejor respuesta en cuanto a la carga de la lata cuando los rodillos superior e inferior están rozando continuamente la banda transportadora, debido a que hay menos aire entre éstos, y dejarlo un tiempo más para que este pueda cargar y el experimento pueda funcionar, en nuestro caso no se dejo cargar suficiente sin embargo se pudo observar su funcionamiento, claramente el roce continuo genera desgaste y ruptura de los materiales por lo cual se determina dejar una distancia de 1 cm de separación para garantizar la vida útil del Generador de Van de Graaff.

Raul Castro Hormaza

CONCLUSIÓN

Es un aparato utilizado para crear grandes voltajes, el cual se basa en los fenómenos de electrización por o 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. Por lo cual podemos decir que el generador de Van de Graff es un generador de corriente constante, mientras que el motor es un generador de voltaje constante, lo que ocasiona el cambio de la intensidad, en sí podemos decir que la electricidad estática se da cuando se ponen en o dos materiales no conductores. En este caso se concluye que la banda elástica es la que va adquiriendo grandes cantidades de energía en su interior, la cual se lleva hasta la parte superior en donde se encuentra la esfera y es ahí donde se va acumulando la energía estática.

Ignacio J, Rivero C.

CONCLUSION

Desde que Faraday en 1831, descubriera la forma de producir corrientes eléctricas por inducción, se ha convertido en una de las formas de energía 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 más 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. A través de las pruebas realizadas se pudo demostrar la electrización por o, cuando colocamos un cuerpo cargado en o con un conductor, se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, que es lo que sucedió con la lata la cual actuó en forma de domo metálico, almacenando energía en su interior y de esta manera transferirla a los pelillos de servilleta y permitir que se erizaran.

Rebeca Hernández