CON LOS PELOS DE PUNTA

CON LOS PELOS DE PUNTA

Ingeniería de Telecomunicaciones (Física Electromagnética)

RESUMEN: En el presente articulo se describe el trabajo realizado en  el diseño y la construcción  de un generador de Van de Graff, mediante un video se observa su puesta en funcionamiento y como los pelos se pondrán literalmente de punta.

ABSTRACT: In this paper, we describe the work done in the design and construction of a Van de Graff generator, through the video, you see their operation, and how is put literally the spiky hair.

PALABRAS CLAVE:

Campo eléctrico, Campo electrostático, Generador de Van de Graff, Ley de Gauss.

KEYWORDS:

Electric field, Electrostatic field, Gauss Law, Van de Graff generator.

JUSTIFICACIÓN

Cuando éramos niños pasábamos el brazo cerca de la pantalla del televisor CRT y sentíamos como los vellos se levantan, pero no sabíamos por qué pasa esto. Por esta razón decidimos realizar de proyecto un generador de Van de Graff, que nos puso literalmente los pelos de punta.

INTRODUCCIÓN

El generador de Van Der Graf 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.

Uno de los generadores más grandes de Van de Graff del mundo, construido por el mismo Robert J. Van de Graff, está ahora en exhibición permanente en el museo de Boston de la ciencia. Con dos esferas de aluminio conjuntas de 4,5 metros que están estáticas en unas columnas altas, este generador puede alcanzar a menudo 2 millones de Voltios.

¿Con el generador de Van de Graff construido por nosotros cuantos voltios lograremos generar?

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

El generador Van de Graff, produce descargas eléctricas hasta de 12000, pero no es peligroso por que su electricidad es estática, cuyo funcionamiento comienza cuando el motor hace gira la goma y comienza un juego de electrones, positivos y negativos para la cual será explicado detenidamente durante el transcurso del proyecto de investigación científica. Pero ¿Cómo elaborar un generador Van de Graff simple?

OBJETIVOS

Objetivo General:

Consultar información del generador de Van de Graff, Diseñar un generador a pequeña escala, para realizar comprobaciones y registrarlas mediante un video.

Objetivo Específicos:

-       Diseñar un generador de Van de Graff a pequeña escala.

-       Realizar una serie de experiencias con el generador de Van der Graff.

-       Comprender el funcionamiento del Generador de Van de Graff.

MARCO TEORICO

BREVE RESEÑA HISTÓRICA

Robert J. Van de Graff diseñó en 1929 el generador eléctrico que llevaría su nombre en el Instituto de Tecnología de Massachusetts con el fin de realizar experimentos en el campo de la física nuclear. En estos experimentos se perseguía sacar conclusiones sobre los núcleos de los átomos a partir de colisiones, para ello, era necesario acelerar partículas cargadas, que tras alcanzar gran velocidad chocaban contra blancos fijos.

En 1931 ya había conseguido que dicho generador alcanzara diferencias de potencial de hasta 1 MV. Hoy día nos encontramos con sistemas que pueden llegar a alcanzar voltajes de 25MV. [1]

Figura 1. Robert Jemison Van de Graff y un modelo del generador que lleva su nombre (fotografía de la Colección de la Universidad de Alabama donde Van de Graff realizó sus estudios de pregrado y maestría en ingeniería). [2]

FILOSOFICO

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. [1]

CÁLCULOS

El campo producido por una superficie de una esfera conductora de radio R es:

E=Q/(4peoR2)

La capacidad de una esfera es:

C=4peoR

Como Q=C.V

Tenemos que :

E=(C.V)/(4peoR2 )

Como el generador dejará de acumular carga cuando el aire se vuelve conductor. Siendo la intensidad del campo eléctrico límite aproximadamente de 3 Mill v/m .tenemos:

3.106=(4peoR.V)/( 4peoR2 )=V/R de aquí despejando V queda:

V=3.106 .R

La esfera utilizada en el proyecto tiene como radio 2,069 cm, por lo tanto:

2,069 cm = 0,02069 m

V = 3.1 X 10¨6 V/m * 0,020 m

V =  6.2 X 10 ´4 V

Por lo tanto podemos decir que el generador construido genera  6.2 X 10 ´4 Voltios.

GUIA DEL EXPERIMENTO

Un generador de Van de Graff típico (figura 2) Consta de:

1. 1.     Una esfera metálica hueca en la parte superior.
2. 2.     Dos rodillos de diferentes materiales: el superior de metal conductor, y el inferior de material aislante.
3. 3.     Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.
4. 4.     Una cinta transportadora hecha de material aislante (comúnmente de látex).
5. 5.     Un motor eléctrico para rotar el cilindro inferior. [3]

Figura 2. El generador de Van Graff. [3]

Cuando el motor comienza a girar, el continuo proceso de contacto y separación entre el rodillo (inferior) de acrílico y la cinta, genera una cierta cantidad de carga en el rodillo debido al efecto triboeléctrico, y la misma carga pero de signo opuesto sobre la superficie interior de la cinta (figura 3). Luego de varias vueltas, el rodillo mantiene una densidad de carga bastante más alta que la de la cinta. De este modo, entre las puntas del peine inferior (conectado a tierra) y la superficie del rodillo se produce un campo eléctrico intenso provocando la ionización de las moléculas del aire cercano a las puntas del peine, creando así, un puente conductor por el que circulan las cargas desde las puntas del peine hacia la superficie exterior de la cinta, la cual se encarga de transportar dichas cargas hacia la parte superior del generador donde se encuentra el otro peine. [3]

Figura 3. Parte inferior del generador de Van Graff. [3]

La densidad de carga en la parte exterior de la cinta resultara mayor (pero del mismo signo) a la densidad de carga en el interior, pero estas no se redistribuyen ya que la cinta es no conductora.

Cuando la cinta entra en contacto con el rodillo superior, le transfiere algo de carga a este último, y así junto con las cargas sobre la superficie externa de la cinta, generan un campo eléctrico suficientemente alto para ionizar nuevamente el aire cercano a las puntas del peine superior. De esta manera se produce una transferencia de carga desde el peine (conectado a la esfera metálica) hacia la cinta, quedando la esfera cargada y la cinta con carga neutra (Figura 4) Mientras la esfera va acumulando carga, la diferencia de potencial entre ésta y tierra va aumentando pudiendo llegar a unos pocos millones de voltios. [3]

Figura 4. Parte superior del generador de Van Graff. [3]

EXPERIENCIAS A REALIZAR

Carga y repulsión de pequeños cuerpos. Con trozos de papel higiénico y seda amarillo cortados en flecos, sujetados con un alambre que esté a su vez en contacto con la esfera.
Descarga. Tomamos un objeto que esté conectado a tierra, y lo acercamos una vez haya pasado algunos segundos que se haya puesto en marcha el generador. En función del voltaje que nuestro generador alcance y la humedad del ambiente la chispa que se visualiza será de mayor o menor tamaño.
Carga de una persona. Para esta experiencia es recomendable buscar a una persona con cabello, largo, fino y limpio. No debe hacerse con persona que tenga problemas cardiacos. Si pone su mano sobre la esfera antes de encenderla y está un tiempo con ella puesta cuando el generador esta funcionando, puede llegar a observarse que los pelos se le ponen de punta (siempre que haya buenas condiciones). Si esa persona pone la mano una vez esta en funcionamiento va a sentir una descarga (inofensiva ya que la intensidad es muy baja).

RESULTADOS DE LAS EXPERIENCIAS  REALIZADAS

Carga y repulsión de pequeños cuerpos. Al encender el Van de Graff, notamos que las tiras de papel adquieren la misma carga y se repelen las unas con las otras. Las tiras se paran como los pelos en la espalda de un gato.

Descarga.  Al acercar la esfera se observa un rayo de una pulgada de largo, que va desde el generador de Van de Graff hacia la esfera cubierta de aluminio conectada a tierra.

Carga de una persona. Se observa que los pelos de la persona se ponen de punta e incluso momentos después de alejar el brazo de la esfera, pero se bajan cuando la persona abandona la superficie aislante debido a que la carga se aterriza.

Figura 5. Generador de Van de Graff

En  la figura 5 se observa el montaje de nuestro generador Van de Graff listo para funcionar.

En el siguiente enlace se puede ver el vídeo del proyecto "Con los pelos de punta".

APPLET

En el applet se simula el generador de Van de Graaff. En el generador real la cinta transporta carga de forma continua. En la simulación, se transporta de forma discreta, sobre la cinta aparecen puntos rojos igualmente espaciados, cada unos de ellos representa una unidad de carga positiva cuyo valor genera el programa interactivo de forma aleatoria.

LineasApplet aparecerá en un explorador compatible JDK 1.1

Bibliografía

[1]	CPAN, «Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN),» [En línea]. Available: http://www.i-cpan.es/concurso2/docs/accesit2_experimentos.pdf. [Último acceso: 03 11 2012].
[2]	U. C. d. Venezuela, «Facultad de Ciencias,» Universidad Central de Venezuela, [En línea]. Available: http://fisica.ciens.ucv.ve/postfismed/historya.html. [Último acceso: 03 11 2012].
[3]	FAMAF, «Facultad de Matematica, Astronomia y Fisica,» Universidad Nacional de Cordoba, [En línea]. Available: http://www.famaf.unc.edu.ar/~anoardo/electrostatica.pdf. [Último acceso: 03 11 2012]. Cesar Prada  Jaime  García  Blanca Ramírez Yury Vivas