Generador Van de Graaff Este generador consta bsicamente de una esfera hueca metlica, un cinturn de material aislante que gira entres dos rodillos aislantes, y un par de peines metlicos en contacto con el cinturn a la altura de los rodillos. Ve la siguiente figura. Al girar el rodillo inferior, ya sea mediante un motor o mediante una manivela, el cinturn se carga por friccin con el peine inferior (peine ionizador) y transporta esta carga hasta el interior de la esfera hueca, donde es recogida por el peine superior (peine colector) y almacenada en el exterior de la esfera metlica. Estos generadores, adems de usarse en laboratorios escolares de fsica para hacer demostraciones sencillas de electrosttica, tambin se utilizan para hacer funcionar tubos de rayos X, esterilizacin de comida y experimentos de fsica nuclear, entre otras aplicaciones. Los generadores Van de Graaff que se usan en laboratorios de

investigacin pueden producir voltajes de hasta 20,000,000 de volts.

Generador Van de Graaff El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electrforo de funcionamiento continuo. Se basa en los fenmenos de electrizacin por contacto y en la induccin 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 electrosttico fue construido por Robert Jamison Van der Graff en el ao 1931 y desde entonces no sufri modificaciones sustanciales.

Existen dos modelos bsicos de generador:y

el que origina la ionizacin del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red elctrica y que crea un gran voltaje)

y

el que se basa en el efecto de electrizacin por contacto. En este modelo el motor externo slo se emplea para mover la correa y la electrizacin 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 ltimo tipo, que coincide con los generadores didcticos 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 cpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando ms y ms hasta conseguir una gran carga. DescripcinConsta de: 1.- Una esfera metlica hueca en la parte superior. 2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseo 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 metlicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior est 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 haran conductora). 6.- Un motor elctrico montado sobre una base aislante cuyo eje tambin 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 elctrica que se forma en la ionizacin 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 didctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el rodillo superior hecho de metal. El rodillo inferior est fuertemente electrizado (+), por el contacto y separacin (no es un fenmeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que est hecho y del material de la correa. Ver escala triboelctrica. El rodillo induce cargas elctricas opuestas a las suyas en las puntas del peine metlico.

El intenso campo elctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del peine situadas a unos milmetros de la banda, ioniza el aire. Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtindolo en plasma. El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento elctrico negativo. El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras molculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa .

Las cargas elctricas negativas (molculas 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 est 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, cubrindola 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 tefln 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 milmetros frente a la correa tiene un campo elctrico 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 vaco. La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa. El generador puede lograr una carga ms 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 l 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 molculas de aire. Las partculas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento elctrico 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 partculas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrn que pasa al interior de la esfera metlica de la cpula que adquiere carga negativa. Por el efecto Faraday (que explica el por qu se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situndose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargndose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

Principios en que se basa el GVGy y

y

Electrizacin por frotamiento -triboelectricidad- (ver electrforo). Faraday explic la transmisin 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. Induccin de carga. Efecto de las puntas: ionizacin.

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 (ms separados en la escala triboelctrica). Segn la combinacin de materiales con que se hagan los rodillos inferior, correa y rodillo superior, la esfera se cargar negativa o positivamente. Si el inferior es de aluminio, el superior de plstico y la correa de caucho sin grafito, la esfera se cargar positivamente. Raznalo observando las cargas que se inducen segn la escala triboelctrica.

Los rodillos deben ser ms anchos por el centro que por los lados (abombados) para que la presin sobre la correa elstica descienda del centro a los lados y haga que esta no escape al girar. La correa debe ser lo ms fina posible para que su propia masa no la abombe al girar y la fuerza centrpeta originada no la impulse hacia los lados hacindola oscilar. La cinta debe ser de color claro porque las oscuras tienen carbono y esto las hace conductoras y no aislantes.

Electricidad por frotamiento. El electrforoLos antiguos griegos ya saban que el mbar frotado con lana adquira la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Todos estamos familiarizados con los efectos de la electricidad esttica, incluso algunas personas son ms susceptibles que otras a su influencia. Ciertos usuarios de automviles sienten sus efectos al cerrar con la llave (un objeto metlico puntiagudo) o al tocar la chapa del coche. Creamos electricidad esttica, cuando frotamos un bolgrafo con nuestra ropa. A continuacin, comprobamos que el bolgrafo atrae pequeos trozos de papel. Lo mismo podemos decir cuando frotamos vidrio con seda o mbar con lana. Para explicar como se origina la electricidad esttica, hemos de considerar que la materia est hecha de tomos y los tomos de partculas cargadas, un ncleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo nmero de cargas positivas y negativas. Algunos tomos tienen ms facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es ms positivo en la serie triboelctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es ms negativo en la serie triboelctrica. Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de ms positivo a ms negativo: Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodn, madera, mbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), tefln. El vidrio frotado con seda provoca una separacin de las cargas, por que ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboelctrica, lo mismo se puede decir del mbar y del vidrio. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza

de los materiales (de su separacin en la serie triboelctrica), y del rea de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es pequea). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad. Habremos observado que frotando el bolgrafo con nuestra ropa atrae a trocitos de papeles. En las experiencias de aula, se frotan diversos materiales, vidrio con seda, cuero, etc.. Se emplean bolitas de sauco electrizadas para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones. De estos experimentos se concluye que:1. La materia contiene dos tipos de cargas elctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia.

2. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen. 3. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

El electrforoJohannes Wilcke invent el electrforo que fue posteriormente perfeccionado por Alessandro Volta. Este dispositivo se extendi por los laboratorios que realizaban experimentos en electrosttica, por que era una fuente de carga fcil de usar.1. La carga se genera frotando una superficie aislante por ejemplo, de Teflon que se comporta muy bien ya que es un excelente aislante y es fcil de limpiar y mantener. El signo de la carga depende de la naturaleza de la superficie aislante y del material utilizado para frotarla. Suponemos que una carga negativa se distribuye en la superficie del material aislante.

2. La carga en el conductor se genera por induccin, las cargas positivas son atradas en la parte del conductor ms cercana a la superficie aislante y las negativas son repelidas. Aunque el conductor se ponga en contacto con la superficie aislante no se transfiere carga negativa al conductor. En principio, el conductor se puede cargar cualquier nmero de veces repitiendo los pasos que se muestran en el dibujo. 3. La parte superior del conductor se pone en contacto con tierra, tocndola con un dedo o mediante una conexin directa a tierra con un cable. Las cargas negativas se neutralizan mientas que las positivas permanecen en la parte inferior del conductor. 4. El conductor se aleja de la superficie aislante, la carga positiva se redistribuye en la superficie del conductor hasta que se alcanza el equilibrio. 5. Finalmente, el conductor se pone en contacto con el electroscopio que nos indica la carga del conductor.

Antes de repetir estos pasos es necesario descargar el conductor y el electroscopio ponindoles en contacto a tierra. El procedimiento se puede repetir sin necesidad de volver a frotar la superficie aislante. La razn estriba en que carga por frotamiento est ligada a la superficie aislante, no se puede redistribuir en el aislante ni puede ser transferida al conductor. La combinacin de la carga estacionaria en el aislante, el movimiento libre de las cargas en el conductor y la transferencia de cargas cuando se pone en contacto a tierra, es lo que hace al electrforo un dispositivo de carga pepetuo. Observamos el funcionamiento del electrforo en la animacin, ms abajo. Se pulsa el botn titulado Inicio para comenzar la animacin Se pulsa el botn titulado Siguiente, para observar las etapas para conseguir cargar el electrforo. En la ltima etapa, se mide la carga del electrforo mediante un electroscopio, cuyo funcionamiento se describe ms abajo.

http://www.tochtli.fisica.uson.mx/electro/Generadores%20electrostaticos/c%C3%B3mo_funciona _la_m%C3%A1quina_de_wims.htm http://voca7.dyndns.org/fisica3/unidad%201/generadores.htm http://www.maquinascientificas.es/05m%E1quinas%20electrost%E1ticas.htm

MQUINA DE CARREsta Mquina Electrosttica, la invent el francs Ferdinand Carr. Que vivi entre 1824 y 1900. Se puede ver en el video. En ella, un disco, adquiere electricidad por el frotamiento con un trozo de piel que por influencia (induccin) pasa a un segundo disco, cuyo giro es contrario. Por medio de peines y conductores metlicos, en comunicacin con botellas de Leiden, se conduce la electricidad a dos esferas, en las que se crea una diferencia de potencial, llegando un momento de ruptura de la chispa.

MQUINA DE NAIRNEUna mquina primitiva, de electricidad esttica, es la de Eduardo Nairne, siglo XVIII, por frotamiento de un cilindro de vidrio a travs de un peine, se recoge una electricidad, y de la materia frotadora se consigue la contraria. Comunicando a masa con cadenas, las armaduras externas de las botellas de Leiden se obtiene mayor diferencia de potencial.

Este experimento esta hecho con una botella de plstico.

MQUINA PRIMITIVA por FROTAMIENTO DIRECTOEsta mquina primitiva obtiene la electricidad por frotamiento directo del disco del que se surte, consigue dos electricidades, tomando la contraria de la piel frotadora, su rendimiento es pequeo. Despus que la piel frota el disco produciendo un desequilibrio electrnico dos anillos metlicos prximos al disco se cargan de electricidad por influencia. Conduciendo cada electricidad por su circuito, a botellas de Leyden conseguimos el arco voltaico.

MQUINA DE HOLTZLa Mquina de Holtz consta de dos discos de cristal, uno mayor fijo y el menor delante paralelo y giratorio. En el grande hay dos ventanas diametralmente opuestas y a diferentes lados de sus bordes dos armaduras de papel de estao, dirigiendo una punta de que consta cada armadura hacia el disco giratorio. Delante del giratorio y frente a las armaduras dos peines conducen

la electricidad que se genera a las botellas de leyden

47. Reproductor de cargas cargador de Thomson.

Fig. 380. Reproductor de Thomson.

El ms sencillo de estos electrforos giratorios reproductores elctricos fu ideado por Thomson, y se reduce dos lminas metlicas aisladas, correspondientes a un mismo cilindro y separadas por dos aberturas diametralmente opuestas. Alrededor del eje del cilindro puede girar una varilla de ebonita, terminada por dos lminas metlicas (fig. 380) l y l', que en cada vuelta tocan los resortes r, s, r' S', dos de los cuales, el r y el r', estn unidos las lminas P y N y los otros S y S' se hallan aislados del resto del aparato, pero comunicando entre si por medio del alambre a. Si suponemos con una pequea carga inicial de electricidad positiva la armadura P y la lmina l en contacto con S, la electricidad positiva de P, por induccin, carga de electricidad negativa l y lleva travs del alambre la positiva l', y al primer cuarto de vuelta tocar l a r', cediendo su electricidad negativa N, al mismo tiempo que l' toca r. Al ocupar de nuevo la varilla la posicin SS' en las vueltas sucesivas, ejercen su influencia las dos armaduras P y N, aumentando las cargas do l y l', cuyo exceso transmiten P y N, que tericamente recibiran una carga indefinida, si no estuviera limitada por las prdidas de electricidad, por el aire y por los soportes.

Mquina elctrica de Ramsden.Consta esta mquina (fig. 377) de un disco de vidrio que gira y se electriza al frotar entre almohadillas de badana, desarrollando por induccin la electricidad en dos cilindros de latn aislados por pies de vidrio S. A fin de descargar los conductores cilindricos de la electricidad negativa, se disponen, comunicando con ellos, unos arcos metlicos, el peine P, que abrazando el dimetro horizontal del disco, dirigen hacia el mismo una fila de puntas. Todo el aparato descansa

sobre una banqueta de madera, y por lo tanto, el montante donde se fijan las almohadillas y se apoya el eje metlico, que atraviesa el disco por su centro, terminando en un manubrio.

Fig. 377. Mquina elctrica de Ramsden.