¿Alguna vez has visto esas grandes esferas metálicas que las personas tocan y sus cabellos se erizan o incluso chocan? Esta es una máquina electrostática que cualquiera puede construir en casa, llamada Generador Van de Graaff. Es común encontrar este tipo de máquina en laboratorios o escuelas de física de la universidad, siendo una experiencia genial presentar trabajos escolares o de pregrado en electrostática.
Por lo tanto, el propósito de este artículo es mostrar qué es un Generador Van de Graaff, cómo funciona, cuáles son sus aplicaciones y cómo construir una versión de esta excelente máquina electrostática de una manera simple y fácil.
Indice
Entendiendo la electricidad estática
Lo primero que debe comprender cómo funciona el generador Van de Graaff es comprender un poco de electricidad estática.
La estructura de un átomo
Piensa que todo a tu alrededor está formado por átomos, piezas muy pequeñas de todo lo que estás viendo. En cada uno de estos átomos, tenemos dos tipos de partículas en el núcleo, neutrones y protones. Orbitando este núcleo tenemos electrones, es como pensar en el sistema solar, donde el núcleo es el sol y los electrones son los planetas.
Estos protones, neutrones y electrones tienen sus cargas eléctricas. Los electrones tienen una carga negativa, y los protones tienen una carga positiva. Los neutrones, como su nombre lo indica, son neutrales, es decir, no tienen carga.
Cargas eléctricas
Los electrones tienen la capacidad de moverse de un átomo a otro, y una forma muy común de hacer que se muevan es frotando objetos que, si están hechos de diferentes materiales aislantes, los electrones se moverán de uno a otro. Esto es lo que llamamos electrificación por fricción, y esto es lo que sucederá en nuestro Generador Van de Graaff.
De hecho, esta carga no ocurre debido a la fricción, sino a través del simple contacto entre un material y otro. Lo que sucede es que cuando frotas un objeto sobre el otro, el área de contacto entre ellos es mayor.
Muñeca de juguete, cuando está parado sobre el generador, el cabello se electrifica con cargas de la misma polaridad, que se repelen entre sí y, en consecuencia, hacen que el cabello de la muñeca se ponga de punta.
Un material es aislante cuando los electrones no se mueven muy bien a través de él, lo contrario de los materiales conductores, en los cuales los electrones se mueven muy fácilmente a través de ellos. Es como si el material aislante mantuviera sus electrones muy apretados.
Una propiedad de las cargas positivas y negativas es que las cargas opuestas se atraen entre sí, y las cargas iguales se repelen entre sí.
Cuando ponemos dos materiales en contacto, ciertos materiales dejarán electrones y otros los mantendrán. Para esto, se creó la serie triboeléctrica, en la que los materiales en la parte superior dejarán electrones y se cargarán positivamente.
La historia del generador Van de Graaff
Fue diseñado y desarrollado por Robert Jemison van de Graaff, Ingeniero estadounidense que se dedicó al estudio e investigación de la física atómica.
A mediados de la década de 1930, el generador se utilizó para suministrar el voltaje necesario en los aceleradores de partículas y, por lo tanto, para estudiar la constitución del átomo. Estos dispositivos aceleraron las partículas subatómicas a grandes velocidades, que fueron «aplastadas» contra los átomos del objetivo. Esta fue la base de la física nuclear.
Las máquinas Van de Graaff utilizadas en estas encuestas tenían esferas de unos pocos pies de diámetro y producían voltajes en millones de voltios.
Cómo funciona el generador Van de Graaff
El propósito del generador Van de Graaff es crear electricidad estática y usar esa electricidad para experimentos.
Estos generadores son dispositivos que tienen corriente constante, ya que en ellos es el voltaje el que varía, diferente de una batería que tiene un voltaje constante y la corriente varía según la carga. Por lo tanto, cuanto más se acerque un objeto a la esfera del generador, menor será el voltaje.
El modelo más común del generador Van de Graaff es el que genera carga a partir de la fricción entre una correa y los cojinetes, y así carga su bola. Por lo tanto, vea a continuación un esquema de cómo funciona:
Funcionamiento detallado del generador Van de Graaff:
- En el momento en que el motor comienza a girar, en el contacto entre el rodillo y la correa, tendremos el rodillo con cargas negativas y la correa con cargas positivas. De esa manera, si observa la serie triboeléctrica, será fácil entender por qué ocurre esto, como por ejemplo, en el generador que construimos, la correa está hecha de nylon y el rodillo está hecho de PVC;
- El campo eléctrico entre el rodillo y la correa aumenta, y el aire alrededor del cepillo se ioniza;
- Por lo tanto, las cargas positivas de las moléculas de aire se transfieren a la superficie de la correa;
- Estas cargas son transportadas a la esfera metálica, siendo recogidas por el cepillo superior. De esta manera, se acumula una gran cantidad de carga en la esfera metálica.
Efecto corona
El generador Van de Graaff depende del efecto corona para funcionar.
Este efecto ocurre cuando las partículas de aire se someten a un campo eléctrico muy alto e intenso, y hace que estas partículas se ionicen.
Por lo tanto, en un generador Van de Graaff, esto hace que los cepillos funcionen y puedan capturar las cargas.
¿Cómo hacer un generador Van de Graaff en casa?
Puede construir un generador Van de Graaff en su hogar, gastando muy poco y utilizando materiales relativamente fáciles de encontrar. Vea a continuación el generador que construimos:
Para construir este modelo, utilizamos los siguientes materiales:
- Esfera metalica;
- Tubo de PVC de 100 mm, medio metro de largo;
- Motor de 1/2 CV;
- Medias de nylon;
- Pieza de tubo de PVC de 40 mm;
- Base de madera;
- Varios hilos (para hacer los pinceles).
Recuerde que este es un modelo relativamente grande, pero puede construir modelos más pequeños con esos pequeños motores de CC.
Por lo tanto, para generar la carga, hicimos una correa de nylon y rodamientos de PVC. Esta es una opción mucho más fácil y económica que hacer un cinturón de goma, ya que para hacer el cinturón solo necesitamos medias de nylon, y el rodillo superior puede ser un tubo de PVC fijo, en el que el cinturón se desliza por él.
El tubo de 100 mm solo se usa para la estructura del proyecto, y para el cepillo usamos cables pelados.
Esfera metálica para generador Van de Graaff
Uno de los materiales más difíciles de lograr es la esfera metálica. ya que debe ser suave y no debe tener puntos o esquinas, para evitar pérdidas de presión.
Si su generador es pequeño, puede usar una lata de aluminio, ya que funcionará muy bien como condensador.
El problema ocurre en generadores más grandes, donde es difícil encontrar algo que sea esférico, conductor y grande. Por lo tanto, algunos usan sartenes pegados, en nuestro caso usamos un aireador viejo, como el de la imagen a continuación.
Si no puede encontrar algo así, puede intentar usar una bola de espuma de poliestireno cubierta con papel de aluminio. No pudimos probar si funciona, pero podría ser una idea que lo intentes. Si funciona, deja un comentario para informarnos =)
El generador Van de Graaff construido funciona de manera similar al siguiente video:
Elegimos este modelo debido a la correa de nylon, que hace que el proyecto sea mucho más simple y viable, y aún funciona muy bien.
Otros consejos para su generador Van de Graaff
Finalmente, echemos un vistazo a algunas precauciones que debe tomar al elegir los materiales y cómo cuidar su generador.
Al elegir un motor, tenga en cuenta que cuanto más rápido sea, más rápido se cargará la pelota. Si no tiene un motor, puede construir una especie de manivela para girar el cinturón. Sin embargo, el sistema no será tan eficiente como con un motor.
También es importante que el motor tenga suficiente potencia para poder girar la correa.
Al elegir los materiales de la correa y el rodillo, siempre verifique la serie triboeléctrica, elija un material para el rodillo que esté más abajo en la serie, y del mismo modo, un material para la correa que esté en la parte superior de la serie.
Mantenga siempre su generador seco, libre de humedad y limpio. La grasa de las manos que quedan en la esfera interfiere con la capacidad de carga, por lo que siempre mantenga la esfera limpia.
También evite el polvo en los cepillos, limpie siempre los cepillos, para que su generador funcione correctamente.