Trabajo Escrito Para Un Generador De Van De Graaff Casero

GENERADOR DE VAN DE GRAAFF

Presentado por: (Nombre (s))

(Nombre de la institución) (Lugar, ej: Bogotá - Cundinamarca) 2013

GENERADOR DE VAN DE GRAAFF

Presentado por: (Nombre (s))

Presentado a: (Nombre del profesor (a))

(Grado o curso)

(Nombre de la institución) (Lugar, ej: Bogotá - Cundinamarca) 2013

INTRODUCCIÓN

La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas, que producen campos electromagnéticos que interaccionan con otras cargas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como rayos, inducción electromagnética, flujo de corriente eléctrica o electricidad estática. La electricidad estática se refiere a la acumulación de un exceso de carga eléctrica en una zona con poca conductividad eléctrica, un aislante, de manera que la acumulación de carga persiste. Los efectos de la electricidad estática son familiares para la mayoría de las personas porque pueden ver, notar e incluso llegar a sentir las chispas de las descargas que se producen cuando el exceso de carga del objeto cargado se pone cerca de un buen conductor eléctrico (como un conductor conectado a una toma de tierra) u otro objeto con un exceso de carga pero con la polaridad opuesta. El mejor ejemplo que se puede dar sobre éste tipo de electricidad, creemos es el Generador De Van De Graaff, una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca, en éste generador vamos a centrar el presente proyecto, para explicar de una forma tanto precisa como completa el funcionamiento y actuación de la electricidad estática.

JUSTIFICACIÓN

El presente proyecto va dirigido como instrumento inicial en la materia Física como referencia y posterior elaboración del prototipo del Generador De Van De Graaff, el cual esta diseñado para demostrar y enseñar a la comunidad educativa, docente y público en general, de La Institución…, los principios básicos de la electricidad y magnetismo enmarcados dentro del campo de la energía eléctrica, energía electrostática, mediante su intercambio. Diariamente convivimos, necesitamos y utilizamos estos tipos de energía para nuestro desempeño laboral, profesional y personal de allí la importancia de su estudio y desarrollo. Pretendemos con este análisis obtener y brindar información sobre los múltiples beneficios así como los posibles inconvenientes al no tener cuidado con su utilización.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Elaborar un proyecto mediante el cual se plantee, estructure, diseñe y posterior mente construya un Generador de Van de Graaff con la supervisión y seguimiento de la profesora de la asignatura… de la Institución… como requisito para la participación el la Feria de la Ciencia.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

   

Investigar la aplicación de conceptos físicos que permitan el aprendizaje de los estudiantes del grado noveno de una forma práctica y aplicada. Elaborar un proyecto para la construcción de un Generador de Van de Graaff con todos sus componentes. Analizar las propiedades de la energía y sus diferentes divisiones y composiciones. Observar el comportamiento de un generador y las posibles aplicaciones en la vida cotidiana.

MARCO TEORICO

El generador de Van de Graaff 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). 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 de la 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 un 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 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. Fuerza electromotriz El agua que abastece una ciudad baja espontáneamente desde un depósito situado en la cima de una colina. Ahora bien, para mantener el nivel del depósito, es necesario ir llenándolo a medida que el agua se consume. Un motor conectado a una bomba puede elevar el agua desde un río cercano hasta el depósito.

En una pista de esquí, los remontes mecánicos suben a los esquiadores hasta el alto de una colina, después, los esquiadores bajan deslizando pendiente abajo. Los esquiadores son equivalentes a los portadores de carga, el remonte mecánico incrementa la energía potencial del esquiador. Luego, el esquiador baja deslizándose por la colina hasta la base del remonte. En un conductor los portadores de carga (positivos) se mueven espontáneamente desde un lugar en el que el potencial es más alto hacia otro lugar en el que el potencial es más bajo, es decir, en la dirección del campo eléctrico. Para mantener el estado estacionario es necesario proveer de un mecanismo que transporte los portadores de carga desde un potencial más bajo hasta un potencial más elevado. El generador de Van de Graaff es un ejemplo de este mecanismo. Las cargas positivas se mueven en dirección contraria al campo eléctrico, en el que el potencial aumenta, y las negativas en la misma dirección que el campo, en el que el potencial disminuye. La fuerza o la energía necesaria para este transporte de cargas lo realiza el motor que "bombea" las cargas. Se denomina fuerza electromotriz o fem Ve al trabajo por unidad de carga que realiza el dispositivo. Aunque la unidad de la fem es la misma que la de una diferencia de potencial, se trata de conceptos completamente diferentes. Una fem produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos físicos cuya naturaleza no es necesariamente eléctrica (en el generador de Van de Graaff es mecánica, en una pila es de naturaleza química, magnética, etc. ). Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo no lo realiza necesariamente una fuerza conservativa, mientras que la diferencia de potencial

es el trabajo por unidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que es conservativa.1

1

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

METODOLOGÍA

1. Para armar la parte inferior se corta un pedazo de tubo PVC aproximadamente de 5cm de longitud y se fija a la base de madera. 2. Se toma un conector T y en el agujero del centro se abre a cada lado agujeros para poder sacar los cables. Se ajusta el motor en el agujero del centro, con el eje hacia adentro, y se asegura con cinta aislante. Antes de ajustarlo se debe sacar por los orificios los cables del motor. En el eje del motor se fija un pedazo de tubo plástico pequeño, sobre el que va a girar la banda elástica, como una polea. 3. Se ajusta la T dejando el orificio central hacia un lado; en el orificio que queda hacia arriba se coloca otro pedazo de tubo PVC de unos 10 cm. Al extremo superior de este tubo se le debe abrir 3 agujeros, 2 de los cuales deben estar en lugares opuestos, pues sujetaran la puntilla que va a actuar como eje para la banda elástica. El tercer agujero va en medio de los otros dos y es donde se va a sujetar el alambre. 4. Se toma un acople y se pone en el tubo sobre el montaje. Se le quita a un fusible los extremos metálicos. Se pasa una puntilla por uno de los agujeros del tubo PVC, luego se pasa por el tubo e vidrio, ahora se termina de pasar la puntilla por el otro agujero del tubo PVC. Se ubica encima del tubo de vidrio el otro extremo de la banda elástica. Se ha armado una polea dentro del tubo PVC, de forma que al prender el motor, la banda elástica podrá moverse sobre el tubo y este a su vez girar sobre la puntilla. 5. Se toman 2 cables y se conectan o sueldan al motor para poder conectarlo a un par de pilas. Se coge un pedazo de cable de 10 cm y se pela por uno de sus extremos; se pone este extremo en el tercer agujero que se abrió en el tubo PVC, muy cerca pero sin que llegue a tocar la banda, y se deja el otro extremo por fuera. 6. Se toma una lata de gaseosa y se le hace un agujero para que cubra el montaje, se hace presión para que se una al cable de 10 cm y quede directamente sobre el tubo de PVC. 7. Finalmente, se conecta el motor a las pilas y se acerca a la mano. Debe generarse una chispa.

ILUSTRACIÓNES

Generador de Van De Graaff

Implementos básicos para construir un generador de Van De Graaff

Generador de Van De Graaff casero terminado

BIBLIOGRAFÍA Y CIBERGRAFÍA

BAUTISTA LOPEZ, Jorge Enrique y ROMERO ACOSTA, Javier Fernando. Mi libro de experimentos. Grupo Editorial Educar. Paginas 282 – 283 http://www.iesjaumei.es/joomla/castella/101-bibliografia http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm http://espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080407181312AAKdZWv http://colombia.brianur.info/normas-icontec/ http://espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid=20081103155600AAQ4lDu http://www.freewebs.com/xe3wma/electricidadestatica.html http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad_est%C3%A1tica https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad http://www.i-cpan.es/concurso2/docs/accesit2_experimentos.pdf http://bib.us.es/comunicacion/aprendizaje_investigacion/common/tutoriales/trabajos2.p df http://www.buenastareas.com/materias/importancia-de-la-electricidad-estatica/0 http://www.tochtli.fisica.uson.mx/la_electricidad_estatica.htm http://www.generthec.com/BLOG/generador-electrico/ http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/sacaleE_M2/ Triboelecetricidad/vanderGraff/GVG_Nuestro.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff