Generador Van der Graaff PDF

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Investigación Generador Van der Graaff...

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El Generador de Van de Graaff

Jefferson M. Andino, Charles D. Andrade, Alex R. Chasi, Alexander J. Rivera, Jefferson A. Salinas y Néstor D. Zúñiga Facultad de Informática y Electrónica, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Tercero “A” Dr. Miguel Tasambay Salazar. Ph.D. 19 de noviembre de 2020

Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Sede Riobamba

2 Resumen En este texto se presento lo que es el generador de van de graaff espero que este documento satisfaga toda la información expuesta en esta. Hace más de 25 siglos el hombre tuvo un glorioso despertar. Fue cuando aparecieron las primeras personas que se cuestionaron que todo lo que le rodeaba se debía a algo más que una deidad divina, a pesar de la hostilidad hacia las nuevas ideas. Ya en el siglo 6 a.C hubo una gran revolución en el pensamiento, se empezó a alegar que el Universo era conocible, se observaba que existían ciertas reglas en la naturaleza que permiten descubrir sus secretos, el cosmos. Tales de Mileto fue el primero en enfocar que el mundo no había sido hecho por los dioses, sino por el resultado de fuerzas materiales que interactuaron. La inquietud del hombre, su ambición por conocer más y más nos han llevado a experimentar e investigar todo aquello que nos rodea. Desde algo tan simple como la caída de una manzana, hasta el experimento más sofisticado, pueden darnos respuestas y hacer que comprendamos mejor lo que somos, lo que vemos y en mundo en el que nos encontramos. El hacer llegar estos conocimientos y las experiencias que nos enseñan llegar a ellos, es una tarea reconfortante si se logra llegar al objetivo. Es este motivo, el que nos ha movido a participar en este concurso enfocado a ello, a la divulgación de la ciencia. La física forma parte de nuestro día a día, y en este campo trabajamos. Con el proyecto que hemos decidido presentar esperamos poder explicar muchos conceptos y despertar el interés de todo el público en general, ya que con el generador Van de Graaff se pueden desarrollar muchas y distintas experiencias y explicarlas a distintos niveles.

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3 Introducción Un generador de Van de Graaff es un artefacto que crea diferencias de potencial o tensiones, produciendo por ello grandes voltajes. Su nombre viene de su creador, Robert Jamison Van der Graaff, quien lo construyó en 1929. El sistema se basa en fenómenos de electrización por contacto. Para ello va a emplear una cinta móvil aislante en la cual se van a trasportar elevadas cantidades de carga eléctrica, generadas por contacto, hacia la parte superior donde se encuentra una esfera metálica hueca que actúa como terminal. Las diferencias de potencial que se pueden llegar a alcanzar en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a ser de hasta 5 megavoltios. El generador Van de Graaff se desarrolló como acelerador de partículas para la investigación física; su alto potencial se utiliza para acelerar subatómicas grandes velocidades en un tubo de vacío. Fue el tipo de acelerador más poderoso de la década de 1930 hasta que se desarrolló el ciclotrón. Los generadores Van de Graaff todavía se utilizan como aceleradores para generar partículas energéticas y haces de rayos X para la investigación nuclear y la medicina nuclear. Desarrollo Robert J. Van de Graaff fue un físico estadounidense que nació Tuscaloosa, Alabama, 1901 y falleció en Boston en 1967, trabajo en diferentes universidades hasta su jubilación. Realizó muchos trabajos a fines de la física nuclear e invento generadores electrostáticos de alto voltaje para comprender y estudiar las partículas atómicas. Robert J. Van de Graaff diseñó en 1929 el generador eléctrico que llevaría su nombre en el Instituto de Tecnología de Massachusetts con el fin de realizar experimentos en el campo de la física nuclear. En estos experimentos se perseguía sacar conclusiones sobre los núcleos de los átomos a partir de colisiones, para ello, era necesario acelerar partículas cargadas, que tras alcanzar gran velocidad chocaban contra blancos fijos.

4 En 1931 ya había conseguido que dicho generador alcanzara diferencias de potencial de hasta 1 MV. Hoy día nos encontramos con sistemas pelletron que pueden llegar a alcanzar voltajes de 25MV. Partes 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. Figura 1 Esquema de las partes de un generador de Van de Graaff

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Funcionamiento 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. Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera una carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura 2. Figura 2 Electrización de la cinta y la polea

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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 como la figura 3. Figura 3 Circulación de cargas a través de la cinta

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Las cargas negativas son atraídas 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. 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.

8 Las características del generador de Van de Graaff que disponemos en el laboratorio de Física de la E.U.I.T.I. de Eibar, son los siguientes: •

Diámetro de la esfera conductora 21 cm

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Capacidad 15 pF

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Tensión máxima 150-200 kV

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Máxima corriente 6 mA

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. Resultados Gracias al generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza. Su utilidad es amplia, usándose tanto en experimentos docentes como en procesos industriales (acelerador de partículas). Existen otras variantes del generador de Van de Graaff, como son el Vivitron o el Pelletron capaces de conseguir tensiones de 30 Megavoltios. Referencias Bibliográficas

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