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Energía potencial eléctrica, Campos eléctricos, Cargas compartidas, Maquinas electrostaticas, El generador de Van de Graaff



1. INTRODUCCION
La electricidad es un fenómeno físico que se manifiesta naturalmente en los rayos, las descargas eléctricas producidas por el rozamiento (electricidad estatica) y en el funcionamiento de los sistemas nerviosos de los animales, como los seres humanos.
El Van de Graaff, que es un tipo de generador eléctrico, fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff en el MIT (instituto tecnológico de Massachusetts) 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 que son mayores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. Muchos museos de ciencia estan equipados con este generador por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostaticos.

2. JUSTIFICACIÓN

La forma de producir corrientes eléctricas por inducción, se ha convertido en una de las formas de energía mas importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facil generación, distribución y algran número de aplicaciones que tiene, como la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

3. MARCO TEÓRICO

4.1 Campos eléctricos
Es la región o espacio alrededor de una carga eléctrica en donde se manifiestan las atracciones o repulsiones. Siendo esas fuerzas de origen eléctrico.

4.2 Energía potencial eléctrica
Para acercar una carga en presencia de otra igual se requiere hacer un trabajo.

W= Fd
Que
al soltarlas, ellas realizan ahora el trabajo.
En cambio para separar dos cargas de diferente signo, hay que hacer un trabajo que al soltarlas se atraen realizando el trabajo (similar a la fuerza de gravedad).
El trasladar una carga de un punto a otro, en presencia de otra carga, representa un cambio en su energía potencial y ese cambio de energía potencial por unidad de carga se denomina diferencia de potencial.


Diferencia de potencial= V = Eρ / q
La unidad de potencial eléctrico se llama voltio, que se define como el trabajo realizado de un Joule por cada coulomb de carga, es decir V=J/C

4.3 Cargas compartidas

Los sistemas mecanicos o eléctricos alcanzan una condición de equilibrio cuando su energía es mínima, de ahí la tendencia de que los cuerpos que estan cargados tienden a descargarse y por eso cuando estan cerca de otros de menor carga o carga diferente las cargas se desplazan hasta alcanzar el mismo potencial.Cuando se electriza un cuerpo conductor, las cargas siempre se quedan en la superficie del mismo y se distribuyen lo mas distante posible una de otras para que la energía del sistema sea la menor posible. Siendo los campos eléctricos mas grandes cerca de las partes salientes, escapandose por las puntas. Como ejemplo esta el pararrayos.
Así como la energía mecanica se puede almacenar como energía potencial, la energía también se almacena en un campo eléctrico.
Se llama capacitancia a la relación que hay entre carga (q) y la diferencia de potencial (V) siendo su fórmula
C = q/ V
q= carga eléctrica y V= la diferencia de potencial
La unidad de capacitancia es el FARADIO, (F) en honor a Michael Faraday. Un faradio es un coulomb / voltio y es una unidad muy grande por lo que se acostumbra utilizar submúltiplos como el microfaradio.

3.4 Maquinas electrostaticas

Las maquinas electrostaticas son dispositivos diseñados para separar cargas eléctricas a un elevado potencial, siendo la mas utilizada el Generador de Van de Graaff.

3.5 El generador de Van de Graaff

El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes
Voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo.
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 modelosbasicos 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 mas y mas hasta conseguir una gran carga.

Consta de una esfera metalica hueca, sostenida por una columna vertical aislante y hueca, por cuyo interior circula una banda de seda o hule, accionada por unas poleas. La punta metalica situada en la base se mantiene cargada positivamente. Al pasar frente a ella la banda recoge cargas positivas que se desprenden y las va a depositar en unas puntas colectoras situadas en el interior de la esfera. De allí las cargas son rechazadas a la superficie de la esfera, hasta alcanzar un potencial elevado, por eso sirve para producir grandes chispas o descargas eléctricas y para estudiar el comportamiento de algunas partículas atómicas.

3.6 Funcionamiento del GVG

En la figura, semuestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metalico hueco A de forma aproximadamente esférica, esta sostenido por soportes aislantes de plastico, atornillados en un pié metalico 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 estan hechos de hilos conductores muy finos, estan situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines estan 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.
En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la polea y la cinta estan hechas 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 mayorTenemos que elegir los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera un carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura.

Si una aguja metalica 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 metalica 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. Tendra que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metalica).
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 esta hecha de goma, y la polea inferior esta hecha de nylon cubierto con una capa de plastico, 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 delconductor 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.

3.7 Principios en los que se basa el GVG

3.8.1 Electrización por frotamiento o fricción:

Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno con otro dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, se da y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello.
Estas cargas reciben el nombre de electricidad estatica, la cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro.
Esto es algo que aun no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que en la superficie de un material existen muchos atomos que no pueden combinarse con otros en la misma forma en que lo hacen cuando estan dentro del material; por lo tanto, los atomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es la razón por la cual os aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir cargas de electricidad estatica. La energía calorífica producida por la fricción del frotamiento se imparte a los atomos superficiales que entonces liberan los electrones, a esto se le conoce como efecto triboeléctrico.

3.7.1 Faraday explicó la transmisión de carga a una esferahueca. 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.

3.7.2 Inducción electrostatica:
la redistribución de la carga eléctrica en un objeto, causada por la influencia de cargas cercanas. La inducción fue descubierta por el científico britanico John Canton en 1753, y por el profesor sueco Johan Carl Wilcke en 1762. Una pieza normal de materia tiene el mismo número de cargas eléctricas positivas y negativas en cada una de sus partes, situadas muy cerca unas de otras, por lo que en general se considera que no tienen carga, o que su carga eléctrica acumulada es cero. Cuando un objeto con carga se acerca a un objeto sin carga capaz de conducir la electricidad, como una pieza de metal, la fuerza que ejerce la carga cercana hace que las cargas se separen

3.7.3 Efecto de las puntas: ionización.

Cuando los conductores metalicos terminan en punta se acumula mucha carga en ellas, la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire.

4. CONCEPTOS

a) Electricidad: fenómeno físico que se manifiesta naturalmente en los rayos, las descargas eléctricas producidas por elrozamiento (electricidad estatica) y en el funcionamiento de los sistemas nerviosos de los animales, como los seres humanos.
b) Campos eléctricos: Es la región o espacio alrededor de una carga eléctrica en donde se manifiestan las atracciones o repulsiones. Siendo esas fuerzas de origen eléctrico.
c) Diferencia de potencial: Cambio de energía potencial por unidad de carga.
d) Capacitancia: Relación que hay entre carga y la diferencia de potencial
e) Generador de Van de Graaff: aparato utilizado para crear grandes voltajes. Electróforo de funcionamiento continuo.
f) Electróforo: un generador de electricidad estatica de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostaticas mediante un proceso de inducción electrostatica
g) Inducción electrostatica: es la redistribución de la carga eléctrica en un objeto, causada por la influencia de cargas cercanas
h) Efecto de las puntas: ionización: Cuando los conductores metalicos terminan en punta se acumula mucha carga en ellas, la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire
i) Maquina electrostatica: Dispositivo diseñado para separar cargas eléctricas a un elevado potencial.

5. CONCLUSIONES

Este proyecto nos ayudó a comprender cómo se generan las cargas electroestaticas y sus efectos. Para hacer funcionar este proyecto se necesitan demuchos fundamentos y bases que no conocíamos; tal es el caso de la producción de energía por fricción, la ionización de moléculas del aire e inclusive la transmisión de esta misma energía de una esfera hueca desde su interior hacia su exterior, y esto teniendo como base la repulsión de dos cargas iguales. También los diferentes tipos de materiales que se necesitan para hacer el Generador van de graaff posible: desde sistemas un poco mas complejos, como un motor o un sistema de poleas, hasta materiales simples como plasticos que sirvan de sostén y pequeños peines conductores.
Este tipo de generadores llegando a alcanzar los 5 megavoltios pueden llegar a ser muy útiles, como ya hemos mencionado antes, en la producción de rayos X y la esterilización de alimentos ademas son una buena herramienta para demostrar los principios de la energía electroestatica.
Nos pudimos dar cuenta de que la electricidad esta en todas partes aunque no siempre la podamos distinguir y, por eso, como equipo nos pareció un proyecto muy interesante.

6. BIBLIOGRAFIA

* https://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff
* https://www.ikkaro.com/construir-generador-van-der-graaff
* https://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/electrostatica/html/contenido.html






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