Índice

Introducción
Resumen
Palabras clave

1. Definición y objetivo

2. Antecedentes e historia

3. ¿Cómo funciona el generador de Van der Graaf?

4. Principio de funcionamiento

5. Aplicaciones

6. Conclusiones

Bibliografía


Introducción

El presente trabajo esta orientado a desarrollar el tema del Generador de Van der Graaf, que se puede definir como una maquina electrostatica capaz de producir altísimos voltajes.
La característica principal de este generador es que los rodillos y la banda que forman parte de él deben ser de los materiales mas adecuados para poder lograr un funcionamiento correcto, lo cual se explicara detalladamente en el desarrollo del trabajo.

Este trabajo se realizó con el interés de conocer detenidamente el funcionamiento del generador de Van der Graaf, ademas del interés académico por profundizar los conocimientos adquiridos en clase y poder observar así, las aplicaciones de los principios basicos estudiados.
En el primer apartado del desarrollo del trabajo se realizara una definición del generador, así como también, el planteamiento del objetivo del mismo.
En el segundo apartado, se explicara brevemente los antecedentes y la historia del Generador de Van der Graaf (GVG), teniendo dentro de los antecedentes la maquinas de Carré y la maquina de Righi.
En el tercer apartado, se describira detalladamente el GVG: las partes de las que consta, y paso a paso qué es lo que ocurre a lo largo de su funcionamiento.
En el cuarto apartado, trataremos losprincipios en los cuales se basa el funcionamiento del GVG, los cuales son: la electrización por frotamiento, la inducción de carga y el efecto punta.
Finalmente, en el quinto apartado, se hablara brevemente de algunas aplicaciones de este generador, como por ejemplo, dentro de las cuales podemos encontrar la producción de rayos X.

Resumen
El Generador de Van der Graaf es una maquina electrostatica que produce tensiones muy elevadas, creada con el propósito de ser empleada en física nuclear. Este generador funciona de la siguiente manera: una banda se mueve por un rodillo, el cual gira gracias a un motor, esta banda es interceptada por un electrodo (el inferior) que la carga eléctricamente, llevando así tales cargas hasta el otro electrodo (el superior)que se encarga de retirar las cargas que seran llevadas al exterior de la esfera. Dicho funcionamiento se basa en los procesos de carga por inducción, frotamiento y en el efecto punta.

Abstract
The Van der Graaf generator is an electrostatic machine that produces very high voltages. It has been created to be used in nuclear physics. This generator works as follows: a band moves through a roller which is rotated by a motor, this band is intercepted and electrically charged by the lower electrode, thereby taking those charges to the upper electrode which has to remove the charges that will be carried outside the sphere. This operation is based on the induction and rubbing charging process and the point effect.

Palabras clave

* Generador
* Van der Graaf
*Electrostatica
* Inducción
* Triboelectricidad
* Efecto punta

1. Definición y objetivo
El generador de Van der Graaf es una maquina electrostatica que acumula gran cantidad de carga eléctrica en el interior de una esfera metalica hueca, gracias a la fricción que produce una correa sobre unos electrodos o peines metalicos.
Este generador fue inventado con el fin de producir una diferencia de potencial muy alta o, lo que es lo mismo decir, para crear grandes voltajes (del orden de los megavoltios). Esto con el propósito de realizar experimentos en física nuclear, como por ejemplo, acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad; estas colisiones nos permitían conocer las características de los núcleos del material.
Debido a esta utilidad, la de crear grandes voltajes, es considerado también como un electróforo de funcionamiento continuo, siendo éste es un dispositivo que se utiliza para obtener carga eléctrica por inducción.

2. Antecedentes e historia
El generador de Van der Graaf fue inventado por Robert Jemison Van der Graaf en el año 1929 en la Universidad de Princeton, con el objetivo que ya se ha mencionado antes.
La idea fundamental de la maquina no era nueva, pues puede ser remontada alrededor del siglo XIX (1800) y hasta se puede considerar algunos años antes. De entre todos sus antecesores, encontramos dos que se destacan, y éstos son: la maquina de Righi y la maquina de Carré.
* Maquina de Righi Se trata de un electrómetro de inducción inventado por el físicoitaliano e ingeniero civil, Augusto Righi, en el año 1862. Este instrumento mide la carga eléctrica o la diferencia de potencial eléctrica.
* Maquina de CarréÉsta es también una maquina electrostatica que fue inventada por el francés Ferdinand Carré en 1868.
Su funcionamiento es basicamente el siguiente: un disco inferior (de cristal), produce electricidad debido al frotamiento con unas almohadillas (generalmente de cuero) que por inducción pasa a un segundo disco superior, cuyo giro es contrario. Y a su vez la carga es conducida hacia el cilindro metalico superior, donde se acumula en las dos esferas que se localizan una a cada lado del cilindro.

Podemos comparar el generador de Van der Graaf con la maquina de Carré:

Maquina de Carré
-Usa un colector próximo al terminal.
-Utiliza un disco para transporte de carga.
-Emplea una maquina de fricción como fuente de alto voltaje.

Generador de Van der Graaf
-Utiliza un motor eléctrico en su interior.
-Usa una banda aislante.
-Emplea una fuente de alimentación electrónica.
Si bien la idea no era nueva, el uso de una fuente de alimentación electrónica para cargar la correa fue lo que hizo considerar al generador de Van der Graaf como “la maquina electrostatica mas grande y mas potente que ha sido ideada”.
El primer modelo del generador fue expuesto en el mismo año de su creación (1929). Esta primera maquina utilizó una cinta de seda como la correa de transporte de la carga.
Para 1931 Van der Graaf produjo un generador que era capaz de alcanzar diferencias depotencial de un megavoltio. Siendo esto un gran avance, pues los generadores de Van der Graaf modernos pueden alcanzar hasta los cinco megavoltios.
En diciembre de ese mismo año (1931), Van der Graaf solicitó una patente, siéndole concedida mas adelante a cambio de una parte de la renta neta.
En el año de 1934, Nikola Tesla redactó un artículo científico, refiriéndose al generador de Van der Graaf, llamado “Posibilidades de generadores”.
Actualmente, en muchos museos de ciencia podemos encontrar un generador de Van der Graaf, ya que es muy útil para ilustrar esta parte de la física. Por ejemplo, uno de los generadores mas grandes, construido por el mismo Van der Graaf esta en exhibición permanente en el museo de Boston; este generador esta formado por dos esferas de aluminio de 4,5 metros, las cuales se encuentran en unas columnas altas; este generador puede alcanzar dos megavoltios.
3. ¿Cómo funciona el generador de Van der Graaf?
El generador de Van der Graaf esta formado por:
* Una banda transportadora aislante (de caucho).
* Un motor eléctrico que esta colocado sobre una base aislante y cuyo eje coincide con el del eje del cilindro inferior. Algunas veces, en vez de un motor se puede utilizar un engranaje con una manivela para mover todo a mano.
* Dos poleas o rodillos de diferente material. El rodillo superior gira libremente, mientras que, el inferior, es movido por un motor que esta conectado a su eje. Estos rodillos hacen girar la banda de manera continua.
* Dos electrodos metalicos o peines hechosde hilos conductores muy finos, de los cuales, el peine superior (colector) esta conectado al interior de la esfera y el inferior (ionizador), esta conectado a Tierra.
* Una esfera metalica hueca, ubicada en la parte superior de todo.
* Soportes aislantes de plastico que sostienen a la esfera metalica hueca.

Estas partes las podemos apreciar en la figura 1.


Fig. 1 Partes de GVG
Su funcionamiento es el siguiente: El motor hace girar el rodillo inferior, y éste ocasiona que la banda aislante se mueva. Al ponerse en contacto el rodillo con la banda, ambos se electrifican con la misma carga, pero de signo contrario, debido a que estan hechos de distinto material; y según sea dicho material, adquiriran cargas positivas o negativas.
A pesar de que tienen la misma carga, la densidad de carga es mayor en la superficie del rodillo que en la banda, pues en la banda, las cargas se distribuyen sobre una superficie mucho mas extensa.
Por ejemplo, en la figura 2 podemos ver la distribución de cargas cuando se han elegido los materiales de la banda y el rodillo de tal manera que, la banda adquiera una carga negativa y la superficie del rodillo una carga positiva.
Como el electrodo inferior (el ionizador) se encuentra a la altura del eje del rodillo y muy cercano a la superficie de la banda, se genera, entre las puntas del electrodo y la superficie del rodillo, un campo eléctrico intenso; de modo que se ioniza el aire ubicado alrededor de dicho electrodo, originando así un puente conductor por medio del cual setransportan las Figura 2 cargas desde las puntas del electrodo hasta la banda.
Lo que ocurre, es que, en realidad, las cargas negativas son atraídas hacia la superficie del rodillo, pero al encontrarse de por medio la banda, entonces éstas cargas se alojan en su superficie (este paso de cargas del rodillo a la banda ocurre con un funcionamiento continuo en ambos rodillos), esto lo podemos observar en la figura 3.
La banda cargada se mueve hacia arriba, hacia el rodillo superior, donde las cargas pasaran a través del electrodo colector a la superficie de la esfera. Así cada vez que la esfera recibe las cargas, se va cargando hasta el punto que es capaz de mandar descargas al acercar un material conductor.
Cuando el aire que rodea al electrodo superior se ioniza, los electrones son extraídos de la esfera y transferidos a la banda, la cual los toma y los lleva al rodillo inferior. Una vez que la carga en el rodillo inferior es la suficientemente grande, ocasiona una descarga de ionización, siendo el exceso de electrones transferidos al electrodo inferior, el cual, al encontrarse conectado a tierra, los traslada de la esfera a la tierra, dejando así a la esfera cargada positivamente.
Con un elevado potencial eléctrico y debido a que el campo eléctrico en el interior de la esfera cargada es nulo, continuamente los electrones son retirados, con lo cual se genera la carga positiva.
Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga de la esfera conductora hueca indefinidamente. Pero, enrealidad, esta transmisión continúa hasta que el campo eléctrico creado por la esfera hueca (o cascarón) tenga un mayor valor que la rigidez dieléctrica del aire, la cual es el maximo valor del campo eléctrico que puede soportar el aire hasta que se vuelva conductor, es entonces que la esfera empieza a perder carga, esto debido a la gran diferencia de potencial.

4. Principio de funcionamiento
Los principios en los cuales se basa el funcionamiento del GVG son:

* La electrización por frotamiento (o triboelectricidad)
Este proceso se debe a la interacción entre el cuerpo que es frotado y el cuerpo que lo frota. Aquí se intercambian electrones. Cabe resaltar que estos cuerpos deben ser de diferente electronegatividad (facilidad para atraer electrones).
En el generador de Van der Graaf este fenómeno ocurre entre el rodillo y la banda aislante al iniciarse el proceso del generador de Van der Graaf.
Por lo ya dicho anteriormente, es fundamental que en el generador los rodillos y la banda estén hechos de los materiales mas convenientes, es decir, que deben ser de los que se encuentren mas separados en la escala triboeléctrica. Y según sean tales materiales, la esfera se cargara positiva o negativamente, por ejemplo: si el rodillo inferior es de aluminio, la banda de caucho (sin grafito para no hacerla conductora) y el rodillo superior de plastico, entonces la esfera se cargara positivamente.

* La inducción de carga

Este fenómeno se da cuando un cuerpo cargado es acercado hacia un cuerpo neutro, lo cual producealteraciones en los atomos neutros del segundo cuerpo. Si el cuerpo neutro es no conductor se produce un efecto de polarización entre sus moléculas debido al efecto que crea en él el otro cuerpo (inductor); y si por el contrario, el cuerpo es conductor, el inductor produce un desplazamiento de electrones en su interior, cuyo orden dependera de la carga del inductor.
En el generador, este proceso puede ser observado entre el rodillo y las puntas del electrodo, pues el rodillo induce cargas en el electrodo.

* El efecto punta

El efecto punta se produce cuando la carga eléctrica, que generalmente se distribuye por todo el volumen o superficie (en conductores) del cuerpo se acumula en las zonas que acaban en punta, siendo así, en ellas, la densidad de carga (carga por unidad de volumen o superficie) mayor que en las demas zonas. Esto hace que las en las proximidades se cree un campo intenso que ioniza el aire.
En nuestro caso, en el generador, esto ocurre cuando el rodillo induce cargas en el electrodo, dando origen a un intenso campo eléctrico que se establece entre las puntas del electrodo y el rodillo, y que hace que el aire se ionice convirtiéndose así en puente conductor por medio del cual se transportan las cargas desde las puntas del electrodo hasta la banda.

La transmisión de carga a una esfera hueca es explicada por el efecto Faraday. Tenemos que cuando se transfieren cargas al interior de una esfera, al ser éstas del mismo signo tienden a repelerse, ocasionando que la carga neta dentro de la esfera sea igual a ceroy así, de la misma manera, que el campo eléctrico interior sea nulo. Entonces, cuando se repelen, todas estas cargas se sitúan en la superficie de la esfera; y es debido a esto que la esfera llega adquirir un gran potencial, al menos, mientras no se supere la rigidez dieléctrica del aire.
Los generadores electrostaticos, específicamente el generador de Van der Graaf, estan diseñados para producir altísimos voltajes y una intensidad de corriente muy pequeña pudiendo ser considerada despreciable, es por eso, que al tocarlo, lo maximo que nos puede ocurrir es que nuestros cabellos se pongan de punta o sentir leves “calambres” en los dedos (a causa del efecto punta ya explicado anteriormente), esto debido a la corriente estatica.
Por esto, hoy los generadores electrostaticos son utilizados basicamente para hacer demostraciones sobre los distintos conceptos analizados previamente.

5. Aplicaciones
El generador de Van der Graaf tiene su aplicación en:
* Producción de rayos X

Siendo los rayos X el resultado de la desaceleración rapida de electrones muy energéticos, debido a una diferencia de potencial (alrededor de los 1000eV), al chocar contra un blanco metalico; el generador de Van der Graaf no interviene directamente en la producción de éstos, sino sólo como un punto referencial, es decir que sólo se hace uso de su principio, pues recordemos que su propósito inicial fue el de acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos, lo cual es precisamente lo que se hace para obtener los rayos X.

*Esterilización de alimentos

La esterilización de alimentos es el proceso de pérdida de la variabilidad o eliminación de todos los microorganismos contenidos en los alimentos.
Existen muchos métodos para llevar a cabo este proceso, dentro de los cuales tenemos la radiación ionizante, la cual puede provenir de generadores artificiales, tales como los generadores de rayos X y los aceleradores de partículas.
Aquí, el generador de Van der Graaf, interviene de la misma manera que lo hace en la producción de rayos X.

* Experimentos de física de partículas y física nuclear

Como se ha mencionado antes, este generador electrostatico fue desarrollado inicialmente para realizar experimentos en física nuclear, en los cuales se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar a gran velocidad contra blancos fijos.
En la actualidad el generador tiene un uso didactico, pues se utiliza para hacer demostraciones gracias a la facilidad con que ilustra los fenómenos electrostaticos.

6. Conclusiones
* La creación del generador de Van der Graaf fue impulsada por el objetivo de querer realizar experimentos tales como, acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad para conocer las características de los núcleos del material. 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.
Esto debido a que el método directo de acelerar iones utilizandola diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos, pues se superaba la rigidez del aire, y entonces se optó por el ciclotrón que evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.
* La idea para la creación de este generador no es considerada como innovadora, ya que es la que usó mucho antes Carré cuando construyó su maquina. Ambas maquinas son bastantes parecidas, aunque presentan ciertas diferencias que ya han sido señaladas previamente. La diferencia mas resaltante es la fuente de alimentación electrónica que usó Van der Graaf para cargar la banda, esto es lo que hizo considerar a su generador como una de las mejores maquinas de sus tiempos.
* Actualmente, gracias a Van der Graaf, podemos encontrar generadores electrostaticos capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores a las de su generador, pero todos ellos estan relacionados con él.
* Los rodillos y la banda son los elementos fundamentales que debe tener en cuenta el generador, ya que de esto dependera la eficiencia del mismo. Estos elementos deben estar fabricados de los materiales que se encuentran mas alejados en la escala triboeléctrica para que así el proceso de carga sea el mejor posible. Ademas es necesario que la banda sea de color claro porque, las oscuras contienen carbono, el cual hace que sean conductoras en vez de aislante, como debería ser para que la carga depositada sobreella no se mueve en su superficie.
* El funcionamiento del generador de Van der Graaf se basa en los procesos de carga por inducción y frotamiento, y el efecto punta. El proceso de carga por frotamiento puede ser observado cuando la banda es eléctricamente cargada por el rodillo, mientras que el efecto punta y el proceso de carga por inducción son apreciados en la interacción entre el electrodo (o peine) y el rodillo.

Bibliografía

* Instituto de Ciencias y Humanidades –ICH (2008), Física una visión analítica del movimiento –Volumen 2, Ed. Lumbreras, Lima.
* Félix Aucallanchi Velasquez, Daniel Chumpitaz Malpartida, Víctor Flores Huertas (2004), Física 5to pre, Ed. Racso, Lima.
* Wikipedia 1: Wikipedia - La Enciclopedia libre, Generador de Van der Graaf, modificada por última vez el 8/noviembre/2010. Consultada el 13/noviembre/2010.

* Aula virtual: GestiónIM - Aula Virtual, Generador de Van der Graaf. Consultada el 8/octubre/2010.
* Física con ordenador: Angel Franco García-Universidad del País Vasco, Física con ordenador- Curso Interactivo de Física en Internet. Consultada el 8/octubre/2010. * Wikipedia - La Enciclopedia libre, Rayos X, modificada por última vez el 13/noviembre/2010. Consultada el15/noviembre/2010.
* Historia-GVG: Museo de Ciencia – Boston (1995), Historia del Generador de Van der Graaf. Consultada el 13/octubre/2010.
* Revista-Universidad de Antioquia: Gabriel Poveda Ramos – Universidad de Antioquia (2004), Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquía. Consultada el 13/noviembre/2010.

* Biografías y Vidas S.C.P (2004-10), Augusto Righi. Consultada el 7/noviembre/2010.

* José Martín Roldan - Maquinas científicas y otras inquietudes, Maquinas electrostaticas. Consultada el 7/noviembre/2010.

* Traducción del artículo Electrostatic Generator de Wikipedia, The free Encyclopedia. Consultada el 13/octubre/2010.

* Wikipedia - La Enciclopedia libre, Radiación ionizante, modificada por última vez el 15/noviembre/2010.

* Roberto Gonzalez - Robótica Miranda (2005 - España), Generador de Van der Graaf. Consultada el 13/octubre/2010.


[ 1 ]. Física con ordenador
[ 2 ]. Aula virtual
[ 3 ]. Historia-GVG
[ 4 ]. Revista-Universidad de Antioquia
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[ 6 ]. Wikipedia1
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[ 8 ]. Electro2
[ 9 ]. Wikipedia1