Generador de Van de Graaff

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El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial (Voltaje) así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavoltios.

Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos Xesterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.


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Descripción

El diseño del Generador de Van de Graaff Consta de:

Esquema de Generador de Van de Graaff1) Esfera metálica hueca (con carga positiva) 
2) Electrodo conectado a la esfera, un cepillo muy próximo (pero no en contacto) al electrodo y la correa 
3) Rodamiento superior (por ejemplo en plexiglass) 
4) Lado de la correa con carga positiva 
5) Lado opuesto de la correa con carga negativa 
6) Rodamiento inferior (metal) 
7) Electrodo inferior (tierra) 
8) Dispositivo esférico con carga negativa, utilizado para descargar la esfera principal 
9) Chispa producida por la diferencia de potencial.

Funcionamiento del generador de Van de Graaff

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. 
Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el rodillo superior hecho de metal.
El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa.

El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del “peinemetálico.

El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la banda, se ioniza el aire.Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma.
El aire ionizado forma un plasma conductor –efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo
El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa .

Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado.

La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo.

La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo. Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las del cilindro, pero estas no intervienen en los procesos de carga de la esfera.

Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie.

Parte superior
Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correa. 
El peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera. 

Un generador de Van de Graff no funciona en el vacío. La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa. El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.

 

El campo creado en el “peine” por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con moléculas de aire. Las partículas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento eléctrico positivo).Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada.
El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa.Por el efecto Faraday (que explica el por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

 


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