Reporte de Laboratorio Practico I

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2014 Facultad Ingeniería & Arquitectura Docente Ing. Carlos Mauricio Barrera Quintana Alumnos Rodrigo Antonio Martínez Álvarez MA200312 Mario Ernesto Martínez Álvarez MA200412 Marlon Alexander Ortega Rivera OR200211 Iván Oswaldo Aragón Solís AS200112 Universidad Francisco Gavidia Reporte de Laboratorio Practico I Generador de Van Der Graaff

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Reporte de fisica Laboratorio practico

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Page 1: Reporte de Laboratorio Practico I

2014

Facultad

Ingeniería & Arquitectura

Docente

Ing. Carlos Mauricio Barrera Quintana

Alumnos

Rodrigo Antonio Martínez Álvarez MA200312

Mario Ernesto Martínez Álvarez MA200412

Marlon Alexander Ortega Rivera OR200211

Iván Oswaldo Aragón Solís AS200112

Laura Cristina Marroquín Caballero MC200112

Francisco Antonio Recinos Flores RF200212

Francis Persy Moran Medina

Rafael Jose Aviles

Universidad Francisco GavidiaCentro Regional de Occidente

Reporte de Laboratorio Practico I

Generador de Van Der Graaff

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ContenidoINTRODUCCIÓN.............................................................................................................................2

JUSTIFICACIÓN.............................................................................................................................3

OBJETIVOS.....................................................................................................................................4

HISTORIA, CONCEPTOS DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAFF...............................5

VAN DER GRAAFF, ROBERT JEMISON (1901-1967)............................................................5

HISTORIA DEL GENERADOR.....................................................................................................6

COMO REALIZAR UN GENERADOR DE VAN DER GRAAFF PASO A PASO.................7

MONTAJE:.......................................................................................................................................8

SISTEMA DE CARGA:..................................................................................................................8

FOTOS DEL PROCESO DE MONTAJE Y PASOS A REALIZAR:........................................9

PROPUESTAS PARA EL FUNCIONAMIENTO CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAFF.....................................................................................15

MEJORAS PARA SU FUNCIONAMIENTO..............................................................................15

CONCLUSIONES..........................................................................................................................17

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INTRODUCCIÓNEn el siguiente informe se muestra la realización de un dispositivo generador de cargas atreves de la electrización por contacto, de la de una manera práctica y sencilla, conoceremos las diferentes propiedades de un generador de van de Graf, además del el proceso de realización e implantación de un generador esto con el fin de crear un generador como parte de los laboratorios prácticos de la catedra de FISICA III.

El objetivó principal es conocer los diferentes fenómenos y comportamientos que este presenta a la hora de utilizarlo de esta manera conoceremos más sobre el fenómeno de electrización por contacto y en la inducción de carga ya que su funcionamiento en realidad es como un electrodo que trabaja de forma continua.

Se conocerán algunas propuestas para poder integrar a la estructura preliminar del generador y se describirán algunos errores de elaboración sobre el sistema del dispositivo.

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JUSTIFICACIÓNCon el fin de incrementar los conocimientos prácticos relacionados con el desarrollo e implementación de un dispositivos generador de cargas estáticas, se busca mejorar el dispositivo ya que en la primera versión del dispositivo se identificaron ciertos problemas que comprometen la ejecución del proceso de carga por fricción ya que los materiales influyeron en la realización ya que por ser metálicos ya que inhibían el proceso de carga, afectando asi la funcionabilidad del dispositivo.

En la primera versión del sistema no se usó de ningun tipo de aislante lo que provoco el mal funcionamiento del dispositivo ya que el proceso de electrización se veía interrumpido por el flujo de cargas, y por ser la estructura de la metílica el flujo de las cargas era drenado.

Se proporcionaran propuestas analizando los posibles errores del prototipo inicial con el fin de proveer de ideas para mejorar el diseño estructural del generador y la utilización selectiva de mejores materiales para garantizar la funcionabilidad máxima del dispositivo.

La finalidad principal es construir, estudiar, analizar y proporcionar propuestas para mejorar el diseño de un generador de Van Der Graaff 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.

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OBJETIVOSObjetivo General.

Desarrollar e implementar un generador de Van Der Graaff.

Objetivos Específicos.

Proponer un diseño funcional del Generador. Analizar la electrización por contacto con ayuda de un Generador de Van

Der Graaff.

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HISTORIA, CONCEPTOS DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAFF. 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. La física forma parte de nuestro día a día, y en este campo trabajamos.

VAN DER GRAAFF, ROBERT JEMISON (1901-1967).Ingeniero y físico norteamericano, nacido en Tuscaloosa (Alabama) el 5 de diciembre de 1901. Estudió en la Universidad de Alabama, aunque más tarde se trasladaría a Europa para hacerlo en la Sorbona y en Oxford, donde se doctoró en 1928. A su regreso a los Estados Unidos trabajó en Princenton y más tarde obtuvo una cátedra en el instituto de Tecnología de Massachusetts.

Sus investigaciones le llevaron a la construcción de grandes aparatos electrostáticos capaces de acelerar enormemente las partículas eléctricas, de gran utilidad en la física atómica. Entre sus inventos más notables destaca el que ideó en 1931, un generador eléctrico de alto voltaje que lleva su nombre. Se trataba de un acelerador de partículas cuyo funcionamiento se basa en aplicar grandes diferencias de potencial a lo largo de un tubo de vacío; en su forma más simple, consistía en una esfera vacía montada sobre soportes aislantes. Una cinta aislante incorpora continuamente cargas eléctricas a la esfera, creando una tensión electrostática elevadísima, capaz de suministrar a las partículas energías del orden de 106 eV. Este aparato se empleó para el experimento de difusión protón-protón en 1935. Bajo el acelerador, se situó un laboratorio y por el techo del

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mismo entraba el haz de protones, acelerado desde una fuente de iones situada en la terminal; este haz era desviado por un electroimán para eliminar las partículas que no fuesen protones y terminaba en una pequeña cámara de difusión.

El generador de Van der Graaff tuvo también importantes aplicaciones industriales y en el ámbito de la medicina (por ejemplo, se incluía en el equipamiento de los rayos X). Es probable que debido a la buena comercialización de sus inventos, Van der Graaff decidiera en 1946 abandonar su puesto en el Instituto de Tecnología de Massachusetts para crear una compañía que se dedicara a la fabricación y venta de los mismos. Falleció en Boston el 16 de enero de 1967.

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 DEL GENERADOR.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 consiste en una cinta transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la esfera por inducción en la cinta, ya que la varilla metálica o peine, está muy próxima a la cinta pero no en contacto. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo por medio de otro peine o varilla metálica que se encarga de producir

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energía, esto hace que las partículas o moléculas de energía que se encuentran dentro de la esfera al hacer contacto con otro cuerpo similar (que produzca energía) absorba a aquella produciendo estática en el cuero capilar. 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 mega voltios. .El generador de Van De Graff es una máquina que almacena carga eléctrica en una gran esfera conductora hueca gracias a la fricción que produce una correa sobre unos peines metálicos. Las cargas son transportadas por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde se comienzan a acumular

Un generador de Van Der Graff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad. Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo.

COMO REALIZAR UN GENERADOR DE VAN DER GRAAFF PASO A PASO.Materiales

Estructura.

1. Cubreplatos2. Tapa PVC 110 mm3. Tubo PVC 110 mm4. Copla PVC 110 mm5. Tapa PVC 110 mm6. Escuadras sillas 2"7. Base de Madera8. Topes de Puerta 30mm

Sistema de Carga

1. Colector de cargas2. Escobilla de cargas3. Rodillo Superior4. Banda de caucho5. Tubo de antena TV6. Perno 3/16" (espárrago)7. Tuerca 3/16"

Detalle sistema de cargas

1. Tira de caucho*2. Tapa PVC 32mm3. Tubo de PVC 32mm4. Lata bebida de aluminio5. Lata de tarro de café

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MONTAJE:

Disponiendo de todos los materiales en la lista, procedemos a la construcción del generador:

Paso 1: En la base de madera de unos 25x25cm, se traza una línea a lo largo y en el centro se ubica la tapa de pvc de 110 mm (5*), que será atornillada.

Paso 2: Se atornillan, sobre la misma línea, las escuadras (6) de acuerdo al esquema, las que deben quedar separadas 9 cm.

Paso 3: Se ubica el tubo de pvc (3) sobre la tapa. A 5cm del extremo superior se ubica la copla de pvc (2), la que se fija al tubo con adhesivo o con cinta aislante.

Paso 4: Se perfora un cubre plato en el centro (110mm de diámetro) de manera que pueda montarse ajustadamente en el tubo (3).

Paso 5: Se perfora el segundo cubreplato en el centro (1cm de diámetro) en el que se ubicará el mástil de carga, y se unirá con el primer cubre platos con cinta aislante.

SISTEMA DE CARGA:

Paso 7:  Se construyen los dos rodillos (11) utilizando las piezas (17) y (18). La pieza (18)se cortará de 8,5 cm de largo

Paso 8: Se prepara la banda de caucho (12), utilizando una cámara de bicicleta de 40x4cm que se pegará formando una cinta.

Paso 9: Cada rodillo tiene una perforación de 3/16”, por la que cruza un trozo de antena de tv 110mm, que se cortará 1 ó 2 mm más largo que el rodillo.

Paso 10: El rodillo superior es ubicado a 3cm del extremo superior de la pieza (3), siendo éste perforado previamente.

Paso 11: El rodillo Inferior es ubicado entre las escuadras silla (6), utilizando un perno de 3/16” (14), que cruza el trozo de antena y que es asegurado mediante tuercas (15).

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Paso 12: La banda, unida en sus extremos es ubicada entre los rodillos, ver figura.

Paso 13: Utilizando una lata de bebida se construye la pieza (19), de 4x8cm, el extremo en contacto con la banda debe ser cortado con forma de dientes.

Paso 14: La pieza (19), es adherida con cinta aislante al tope de la pieza (2).

Paso 15: Un segundo peine (20) es construido con la lata de un tarro de café de medidas 8x3,5cm y es perforado y atornillado al centro de la tapa (5), de manera que la pieza quede en contacto con la cinta, (ver esquema) (10).

SISTEMA DE TRANSMISIÓN.

Paso 16: Un pequeño motor con un engranaje en su salida es unido a la base de madera utilizando una abrazadera. Una banda elástica une el engranaje con el extremo del rodillo inferior, ver esquema.

Paso 17: Dependiendo del tipo de motor seleccionado puede funcionar al conectarse a la línea eléctrica, o en nuestro caso a una fuente de poder de 12V, con un máximo de 6V en este caso.

FOTOS DEL PROCESO DE MONTAJE Y PASOS A REALIZAR:

Preparación de la base.

Lleva pequeños cortes cuadrados, dispuestos diametralmente opuestos para facilitar la instalación de las escuadras y un corte lateral rectangular (como se muestra en la figura para poder adosar posteriormente el motor y sus correas de transmisión.

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Fijación de la tapa de PVC de 110 mm a la base de madera, se recomienda primero hacer los orificios en la tapa y luego apernar.

Detalle de uno de los dos rodillos. El tubo debe teneraproximadamente 8.5 [cm] de largo para que al colocar los tapones su largo no supere el diámetro interior del tubo de PVC.Los tapones de los rodillos deben tener orificios en los extremos de tamaño similar a los pernos ocupados para fijar este al cuerpo del generador. Se instalan los tornillos de talforma que quede una porción del tornillo fuera del cilindro y se le puedan fijar las escuadras por medio de las tuercas

Detalle de uno de los dos rodillos. El tubo debe teneraproximadamente 8.5 [cm] de largo para que al colocar los tapones su largo no supere el diámetro interior del tubo de PVC. Los tapones de los rodillos deben tener orificios en los extremos de tamaño similar a los pernos ocupados para fijar este al cuerpo del generador. Se instalan los tornillos de talforma que quede una porción del tornillo fuera del cilindro y se le puedan fijar las escuadras por medio

de las tuercas.

(Izquierda)Tubo de PVC 110 mm que será el cuerpo del generador, al cual se le han hecho unos cortes para no interferir con las escuadras que sujetan el rodillo inferior. Se aprecian también el trozo de copla que sujetará a la esfera, el eje del rodillo superior y la escobilla de carga (centro). A la derecha se ve el sistema de la banda de carga y los rodillos.

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Instalación de la escobilla de carga. El cable que parte desdeel tornillo es el cable de tierra ( se enrolla en la cabeza del tornillo antes de fijar completamente el tornillo a la base).

Instalación de la escobilla de carga, se fija a la base mediante el tornillo que posee el cable a tierra, no olvidar que al momento de instalar la escobilla esta debe quedar en contacto con la banda de carga.

Sujeción de las escuadras a la base de madera, recordar que los cuadrados deben estar diametralmente opuestos.

Recuerda que antes de fijar ambos lados del rodillo a la base debes instalar la banda de carga.

Se fija las escuadras al rodillo de carga utilizando las tuercas y los hilos de los tornillos que previamente se instalaron en el rodillo. Es recomendable hacer esto antes de fijar los rodillos a la base o a la parte superior del tubo.

Al momento sujetar el lado del rodillo que está junto a ranura del motor,

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instalar la banda de transmisión del motor de forma que quede sobre uno de los tapones del rodillo.

Se instala el cuerpo del generador el que debe quedar dentro de la tapa que forma la base. Se procede a instalar el segundo rodillo, antes de instalar completamente dicho rodillo se debe hacer pasar la banda de carga por el segundo rodillo.

Se instala la escobilla colectora en la parte superior del tubo de PVC que ya tiene instalados ambos rodillos y la banda de carga. la escobilla debe quedar conectara a la esfera (de ésta forma se cargará la esfera ). No olvidar que a escobilla debe quedar en contacto con la banda de carga de tal forma que solo la toque por medio de los dientes que posee.

Se fija el rodillo de descarga al generador por medio de los pernos que salen del rodillo, el tubo previamente debe tener orificios para que se puede sujetar el rodillo al tubo.

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Se crea un tapón con un pedazo de metal para los pernos que salen del rodillo no salgan de su lugar y luego se recubre por cinta aislante.

Anillo de PVC , el se encargará de sujetar la esfera, debe quedar bien sujeto. Se recomienda instalar antes de adosar el rodillo superior.

Se calcula la distancia a la cual se dispondrá el arreglo del motor.

Se fija una abrazadera en un bloque de madera para luego colocar el motor del generador. Es recomendable que el bloque

tenga ya hechos orificios para posteriormente sujetarlo a la base del generador

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Finalmente se instala la esfera metálica sobre el cuerpo ya armado, la que debe quedar en contacto con al escobilla colectora. Este sería nuestro resultado final.

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PROPUESTAS PARA EL FUNCIONAMIENTO CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAFFEl generador de Van der Graaff dentro del área profesional 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.

Debido a su importante funcionamiento dentro de nuestra replica casera se pretendió lograr una electrización por rozamiento. Sin embargo se tuvieron ciertos inconvenientes en su funcionamiento, de los que generamos hipótesis relacionadas a la eficacia de las peinetas, o si la estructura hecha de escuadras metálicas conducía la energía y permitía q la misma llegara hacia la superficie de la esfera. Para minimizar el rango de error se plantean ciertos algoritmos que pueden ser los indicados para el correcto funcionamiento del generador de vander Graaff, de la manera siguiente:

MEJORAS PARA SU FUNCIONAMIENTO.1) Los rodillos y la correa son el alma del generador de Van der Graff y deben

ser de los materiales más adecuados. 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.

2) 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.

3) 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.

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4) 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

5) Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga del conductor hueco indefinidamente. De hecho, existe un límite 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.

Reelección de materiales. Algunas modificaciones podrían mejorar el funcionamiento del generador, por ejemplo sustituir algunos de los ya elegidos por los siguientes:

o Cucharones de aluminio

o Tornillos autorroscantes

o Tornillos niquelados

o Tubo de pvc

o Pegamento industrial

o Alambre esmaltado

o Poleas Plásticas

o Tubo de aluminio torneado

o Banda de hule

o Banda de látex

o Motor de 12v o superior

En este caso se mantendrían los recipientes de aluminio y los materiales sujetadores, pero se busca un generador aislante en su estructura por lo que es tentativo generarla a partir de pvc, la cual contiene las poleas plásticas que sujetan las bandas de hule, mejorando sus propiedades físicas sin dejar de mencionar el cambio en las peinetas donde se utilizaría el alambre esmaltado de cobre.

Para el buen funcionamiento del Generador de Van Der Graaff es necesaria la correcta elección de los materiales y si fuese necesario utilizar una fuente de voltaje en el caso de no contar con motores que no puedan ser conectados a corriente alterna.

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CONCLUSIONES

El tiempo para el desarrollo del experimento.No se contó con el tiempo suficiente para el desarrollo logístico de los pasos que debería seguir la construcción o desarrollo del experimento.

El nivel de información sobre el funcionamiento del experimento por parte de cada uno de los integrantes del grupo.No se contaba con el 100% de información tanto teórica como practica para lograr el objetivo del experimento.

Coordinación y distribución de tareas para el desarrollo del experimento.No se delegó tareas ni coordinación de procesos debido al tiempo y falta de reuniones de grupo.

Recolección de materiales. No se pudo hacer una búsqueda ni investigación adecuada sobre las partes y materiales a utilizar en el proyecto.

Preparación y maquinado de materiales para la construcción del experimento.El maquinado y utilización de ciertos materiales no fue el adecuado para lograr el funcionamiento del experimento.

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