Carrera: Ingeniería en Sistemas Computacionales.

Materia: Física II.

Catedrático: Fis. Rafael González Anaya.

Nombre del trabajo: Generador de Van Der Graaff.

Integrantes del equipo 1:

Wilver Omar Figueroa Escudero

José Eduardo Martínez Pérez

José Armando Molas Aguilar

Jonathan Francisco Orlaineta Hernández

Ángel Leonardo Alegría Oropeza

Jesús Enrique Soberanes Reyes

Enrique Gaspar de la Cruz

Villahermosa, Tabasco a 06 de octubre de 2010

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INDICE

Introducción……………………………………………………………………………….3

Objetivo…………………………………………………………………………………....4

Marco teórico……………………………………………………………………………..5

Materiales…………………………………………………………………………………9

Metodología……………………………………………………………………………..10

Conclusiones……………………………………………………………………………14

Glosario………………………………………………………………………………….15

Bibliografía……………………………………………………………………………....16

Anexos…………………………………………………………………………………...17

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INTRODUCCION

Desde el principio de la historia el hombre ha tratado de experimentar con un sinnúmero de cosas e incluso los grandes descubrimientos han sido producto de ello. En la actualidad infinidad de experimentos se basan en los principios fijados de las diversas ciencias tales como la física, química, astronomía, etc., por lo tanto resulta de mucho interés experimentar por nuestra propia cuenta para analizar la veracidad de los principios de una ciencia, es allí donde surge la idea de realizar un Generador de Van der Graaf.

Un Generador de Van der Graaf es una forma de comprobar que la carga eléctrica que hay en medio de una esfera hueca puede ser almacenada en una cinta móvil y así producir potenciales altamente altas como los son 3, 4 o hasta 5 megavoltios. En pocas palabras la explicación de este modelo se resume a que se genera corriente constante lo único que cambia e la intensidad dependiendo de la capacidad del material que se esté usando.

El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

Nosotros nos dimos a la tarea de realizar este generador para comprobar algunos principios fundamentales de la física y a continuación resumimos todo su procedimiento mediante el cual llegamos a realizar este generador junto con los resultados obtenidos.

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OBJETIVO

Comprobar los diversos fenómenos electrostáticos que se pueden realizar mediante un Generador de Van der Graaff llevándolos a la práctica y utilizando nuestros conocimientos y aptitudes.

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MARCO TEÓRICO

Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

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.

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 (cubeta de Faraday).

El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo.

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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.

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.

Funcionamiento del generador de Van de Graaff

Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos

como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie del 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.

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

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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 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.

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

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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 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.

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 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.

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MATERIALES

Los materiales que usamos en la elaboración de este Generador de Van der Graaff son:

2 hieleras de aluminio (también pudieron ser cucharones).

20 tornillos aproximadamente.

1 metro de tubo de pvc de 5 pulgadas.

1 mensula de acero.

2 cople de pvc de 4 pulgadas.

1 motor de licuadora (110v).

1 cautín.

Pasta para soldar.

1 base de madera.

Pegamento.

6 abrasaderas de plástico.

1 masa de bicicleta.

Alambre esmaltado.

Banda de látex.

Desarmadores de estrella y planos.

Pinza de corte.

1 taladro.

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METODOLOGÍA

Para la elaboración del generador de Van der Graaff primero buscamos información acerca de él y ciertos modelos que han sido elaborados por otras personas para poder basarnos en ellos y así poder realizar el nuestro.

Luego de tener un modelo a seguir, realizamos una lista de materiales para poder empezar su construcción física. Entonces nos dimos a la tarea de conseguir cada uno de los materiales, no fue una tarea fácil ya que algunos de los materiales no teníamos ni la más mínima idea de donde conseguirlos, de manera que esto elevó el tiempo de realización.

Después de haber conseguido los materiales el siguiente paso era como hacerle una adaptación a las hieleras para poderles realizar un hueco en medio a una de ellas, en específico la que iba a ir en la parte de arriba 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.

Luego de haberle realizado el hueco a la hielera procedimos a colocarle uno de los cople de pvc en medio de la superficie que se perforó con fin de colocar luego la masa de bicicleta que se usó como sustituto de un torno que necesitamos originalmente.

Después de esto decidimos que como las esferas tenían que estar unidas teníamos que abrir orificios a ambas para unirlas juntas con pequeños tornillos y así poder ajustar bien el espacio que quedaría entre ambas para sostener la masa de bicicleta (sustituto del torno), que tendría la función de sostener la banda.

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Posteriormente nos dimos a la tarea de diseñar lo que sería el soporte utilizando madera y pvc, entonces a la madera y al tubo de pvc le realizamos diversas perforaciones para luego poderlas unir con las ménsulas y poderlas fijar a la base. Esto requirió de nuestra parte medir adecuadamente los espacios entre cada uno de las perforaciones porque sino luego no encajarían cada una de las ménsulas.

Por fin después de haber realizado la parte de arriba y la de abajo del Generador solo restaba unir ambas partes, esto significaría en primer lugar contar con la banda de látex que se iba a usar puesto que uno de nuestros problemas era que el generador lo hicimos directo porque no encontramos poleas entonces tuvimos que costurar la banda de látex por nuestra propia cuenta.

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Teniendo ya la banda lista entonces checamos que tanto la masa de bicicleta (sustituto de torno) estuviera lo suficientemente blanda como para girar adecuadamente al ritmo del motor y lo mismo con el motor que todo estuviera en orden y que funcionara perfecto.

Después de esto procedimos a fijar el motor a la base madera y colocarlo en medio del tubo de pvc, es decir, le abrimos un hueco al pvc en su parte inferior calculando que en él entrara el motor de forma cuadrada y lo fijamos a la base con abrasaderas de plástico quedando de la siguiente manera.

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Luego colocamos la parte de arriba del generador procurando que el que ambos rotores quedaran alineados para que la banda no fuera de lado a lado, colocamos el cable de tierra en la parte inferior del generador muy cerca de la banda (no tocándola), y en la parte superior el cable de cobre conectado a la esfera y pasando muy de cerca por la banda por la parte de encima para que allí se dé el fenómeno de absorción de electrones y se produzca la energía estática.

Es así como después de mucho esfuerzo quedó nuestro generador, el cual si funciona puesto que al funcionar si repele los papeles que se le colocan en la parte superior.

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CONCLUSIONES

Como equipo concluimos que el generador de Van der Graaff 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 construíamos el proyecto. También es de suma importancia saber que la investigación previa es muy importante ya que ayuda a diferenciar e imaginar la forma en que se pueden sustituir ciertos materiales. Por otro lado podemos afirmar que el objetivo del proyecto se ha logrado ya que al realizar el Generador de Van der Graaff nos pudimos constatar de la veracidad de los principios físicos que hacen que se produzca la energía que se logro. En pocas palabras si logramos comprobar que mediante este generador se lograron los diferentes fenómenos electrostáticos.

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GLOSARIO

Electrización: Cargar un cuerpo ya sea positiva o negativamente.

Electróforo: Aparato donde se producía y conservaba electricidad en gabinetes de física.

Inducción: Redistribución de las cargas eléctricas en un conductor por la acción de un campo eléctrico exterior.

Voltaje: Cantidad de voltios que actúan en un aparato o sistema eléctrico.

Voltios: Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional, equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor cuando al transportar entre ellos un coulomb se realiza el trabajo de un julio. (Símbolo V).

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BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm.

http://html.rincondelvago.com/inventos-en-fisica.html.

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ANEXOS

En esta parte se encuentran algunas imágenes que no se usaron en la descripción de la metodología puesto que cabe mencionar que el modelo sufrió muchas modificaciones para lograr a su producto final, por ejemplo el aspecto original de los sostenes era el de unas tablas que finalmente termino siendo un tubo de pvc de 1 metro. A continuación algunas fotografías que verifican esto.

Colocando las ménsulas a una tabla que sostendría el generador

Los compañeros apoyando para fijar bien la base a las ménsulas.

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Fijando la parte superior del generador a la base.

Algunos ajustes extras de tornillos en ambas tapas del generador.