Generador de Van de Graaff

 

GENERADOR DE VAN DE GRAAFF 1. – Obj Objeto eto d de e la prácti práctica: ca: 

Observar el funcionamiento del generador de Van de Graaff y observar el fenómeno de la inducción electrostática.

ra

1 Partepor de frotamiento. la práctica, en esta comprobaremos la generación de carga eléctrica Materiales tili!ados para la 1 ra parte:    

Ebonita. Tela de seda. Electroscopio. Vidrio.

F"da#e"to te$rico: Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1!1" con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta #del orden de $% millones de volts& para acelerar part'culas cargadas que se (ac'an c(ocar contra blancos fi)os. *os resultados de las colisiones nos informan de las l as caracter'sticas de los n+cleos del material que constituye el blanco.El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante" mientas que la bater'a es un generador de volta)e 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 (ec(os de finos (ilos de cobre y una esfera (ueca donde se acumula la carga transportada por la cinta. En la figura" se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. ,n conductor metálico (ueco - de forma aproimadamente esférica" está sostenido por soportes aislantes de plástico" atornillados en un pié metálico / conectado a tierra. ,na correa o cinta de goma #no conductora& 0 se mueve entre dos poleas E y  .. *a polea  se acciona mediante un motor eléctrico.

0os peines G y 2 están (ec(os de (ilos conductores muy finos" están situados a la altura del e)e de las poleas. *as puntas de los peines están muy próimas pero no tocan a la cinta.  *a rama i3quierda de la cinta transportadora se mueve (acia arriba" a rriba" transporta un flu)o continuo de carga positiva (acia el conductor (ueco -. -l llegar a G y debido a la propiedad de las puntas p untas se crea un campo lo suficientemente intenso para ioni3ar el aire situado entre la punta G y la cinta. c inta. El aire ioni3ado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación" al conductor (ueco -" debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor (ueco #cubeta de d e arada araday&. y&.

F"cio"a#ie"to del %e"erador de Va" de Graa&&  2emos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática" cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. -(ora eplicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta (asta el terminal esférico. En primer lugar" se electrifica la superficie de la polea inferior  debido a que la superficie del polea y la cinta están (ec(os de materiales diferentes. *a cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario.

4in embargo" la densidad de carga es muc(o mayor en la superficie de la polea que en la cinta" ya que las cargas se etienden por una superficie muc(o mayor 4upongamos que (emos 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.

 

4i una agu)a metálica se coloca cerca c erca de la superficie de la cinta" a la altura de su e)e. 4e produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la agu)a y la superficie de la polea. *as moléculas de aire ai re en el espacio entre ambos elementos se ioni3an" creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica (acia la cinta. *as cargas negativas son atra'das (acia la superficie de la polea" pero en medio del camino se encuentra la cinta" y se depositan en su superficie" s uperficie" cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. 5ero la cinta se mueve (acia arriba" y el proceso comien3a de nuevo.

*a polea superior E act+a en sentido contrario a lla a inferior . 6o puede estar cargada positivamente. Tendrá Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra #una polea cuya superficie es metálica&. Eiste la posibilidad de cambiar la polaridad p olaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. 4i la cinta está

 

(ec(a de goma" y la polea inferior está (ec(a de nylon cubierto con una capa de plástico" en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. *a cinta transporta (acia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se (a eplicado" pasa a la superficie del conductor (ueco. 4i se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas (acia aba)o. 4i se usa nylon en la polea superior" la cinta transporta carga negativa (acia aba)o" esta carga viene del conductor (ueco. 0e este modo" la cinta carga positivamente el conductor (ueco tanto en su movimiento ascendente como descendente. *as caracter'sticas del generador de Van de Graaff que disponemos disp onemos en el laboratorio de 'sica de la E.,.7.T.7. de Eibar" son los siguientes8 •

0iámetro de la esfera conductora $1 cm

•

/apacidad 19 p

•

Tensión máima 19%:$%% ;V

•

$%%?1% >$%%?1% ?=?1% >1.$ @  

Fer!a electro#otri!: El agua que abastece una ciudad ba)a ba) a espontáneamente desde un depósito situado en la cima de una colina. -(ora bien" para mantener el nivel del depósito" es necesario ir llenándolo a medida que el agua se consume. ,n motor conectado a una bomba puede elevar el agua desde un r'o cercano (asta el depósito.

En una pista de esqu'" los remontes mecánicos suben a los esquiadores (asta el alto de una colina" después" los esquiadores ba)an ba)a n desli3ando pendiente

 

aba)o. *os esquiadores son equivalentes a los portadores de carga" el remonte mecánico incrementa la energ'a potencial del esquiador esquiador.. *uego" el esquiador ba)a desli3ándose por la colina (asta 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 (acia otro lugar en el que el potencial es más ba)o" es decir" en la dirección del campo eléctrico. 5ara mantener el estado estacionario es necesario proveer de un mecanismo que transporte los portadores de carga desde un potencial más ba)o (asta un potencial más elevado. El generador de Van Van de Graaff es un e)emplo de este mecanismo. *as 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. *a fuer3a o la energ'a necesaria para este transporte de cargas lo reali3a el motor que AbombeaA las cargas. 4e denomina fuer3a electromotri3 o fem V al traba)o por unidad de carga que reali3a el dispositivo. -unque la unidad de la fem es la misma que la de una diferencia de potencial" se trata de conceptos completamente diferentes. ,na fem produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos f'sicos cuya naturale3a no es necesariamente eléctrica #en el generador de Van de Graaff es mecánica" en una pila es de naturale3a qu'mica" magnética" etc. &. ,na fem es un traba)o por unidad de carga" este traba)o no lo reali3a necesariamente una fuer3a conservativa" mientras que la diferencia de potencial es el traba)o por unidad de carga reali3ado por una fuer3a eléctrica que es conservativa.

Procedi#ie"to: 5rimero frotamos el vidrio con la seda en la cuál luego de frotarla la pusimos la punta de vidrio donde el electroscopio y este enseguida reaccionó su agu)a se movió esto no quiere decir que el electroscopio vio los cambios del vidrio cuando frotamos con la seda pero antes pusimos la punta de vidrio en el electroscopio pero no se vio ning+n cambio en cambio cuando lo frotamos con la seda reacciona y a(' podemos comprobar que se carga el vidrio mediante el frotamiento de la seda y luego al vidrio lo tocamos con la mano y este tiende a descargarse. El vidrio frotado por seda adquiere más carga positiva #B&. *a ebonita frotado con piel # piel de gato & adquiere más carga negativa # : &. /uando estas cargas se compensan es decir tienen un $%C de cargas positivas y $%C de cargas negativas estas no presentan cambio alguno pero estas cuando sobrepasan o una carga tiene más cargas ya sea positivas o negativas estas tienden ya sea a atraerse o repelerse esto ya sea de acuerdo a que tipo delas carga tiene más dominio que las cargas positivas tienen un $%C a y cargas negativas tienenesundecir !%C" lassicargas negativas tienden a dominar las cargas positivas pero eso se presentan en raros casos por que la carga

 

positiva siempre tiende a dominar por que es más grande que la negativa y bueno como ya sabemos que si son cargas de diferente signo se atraen y cargas de signo igual se repelen.

)da Parte de la práctica, en esta práctica utili3aremos el ro3amiento y frotamiento.

Materiales tili!ados para la ) ra parte :     

7nterruptor. ,n volt'metro. Electroscopio. Generador de Van de Graaff. Electrodos planos de mallas con flecos.

Procedi#ie"to: En esta práctica utili3amos el generador de Van de Graaff la cuál la pusimos cerca del electroscopio y luego (icimos funcionar el generador y comprobamos que era tanta lla a potencia de vo volta)e lta)e de este genera generador dor que vimos en el momento de prender el generador la agu)a del electroscopio empe3ó a moverse y a oscilar en este pudimos comprobar cuan grande es la potencia de las cargas ca rgas que genera el domo del generador de Van de Graaff as' mismo también reali3amos lo mismo pusimos cerca electrodos planos de mallas con flecos y en ese instante que pusimos a funcionar al generador observ observamos amos como las mallas con los flecos se atra'an uno entre s' as' como la práctica que (icimos en campo eléctrico y como ya di)imos en esta práctica pudimos comprobar8   

5resencia de carga eléctrica. /ampo eléctrico. 0iferencia de potencial o volta)e.

*uego reali3amos otra práctica y esto para comprobar la eistencia del (ie"to el*ctrico y en esta utili3amos los siguientes materiales8       

7nterruptor. ,n volt'metro. Electroscopio. Generador de Van de Graaff. Decipiente de gotero. ósforo. Vela.

En esta pequea práctica sobrepusimos enalalaparte domocuando d el generador del recipiente de gotero y en este apuntamos vela ydel bueno pusimos el a funcionar al generador el recipiente de gotero empe3ó a soplar por un pequeo

 

orificio (asta apagar a la vela que estaba en su frente y as' concluimos la práctica.

+ar%a por i"dcci$"  4i frotamos un bol'grafo y luego lo acercamos a un papel vemos que lo atrae. -l acercar el bol'grafo al papel las cargas del bol'grafo repelen a las del mismo signo del papel y atraen a las de signo opuesto. En el papel se (a inducido una carga de signo opuesto a la del bol'grafo y ambas se (an atra'do. *o mismo ocurre con un globo cargado por frotamiento con un )ersey. /uando se acerca el globo a una pared en la pared se induce una carga de signo opuesto a la del globo y la fuer3a entre cargas de signo opuesto mantiene al globo en la pared. También un peine que se (a frotado en el pelo atrae a un c(orrito de agua al aparecer en el c(orro una carga de distinto signo a la del peine

Fe"$#e"os electrostáticos8 4e cargan frotándolos contra el pelo un peine" que atrae a un c(orro de agua. F un globo que se pega a la pared.

Materiales: Degla" peine" bureta con soporte" globos

Procedi#ie"to8 4e re real ali3 i3a a un una a co cole lecc cció ión n de e epe peri rime ment ntos os trad tradic icio iona nale les s y se senc ncil illo los s de electrostática que se pueden reali3ar en casa8 •

,na regla se frota y atrae papelitos.

•

4e de)a salir un c(orro de agua fino desde la bureta y se le acerca un peine electri3ado que atrae al c(orro. c (orro.

 

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4e frota un globo sobre el )ersey y queda pegado a la pared.

+AMPO E-+R/+O El espacio que rodea a una carga o con)unto de cargas queda perturbado por la presencia de las mismas que e)ercen su acción a distancia. 4e dice que en el espacio (ay un campo eléctrico y la perturbación se aprecia porque" si en el espacio se pone una carga de prueba #que por convenio se supone positiva& eperimenta una fuer3a. En los eperimentos que siguen se puede apreciar que la carga sobre el domo del generador produce ioni3ación en las moléculas que están próimas" en las del aire o en las de un tubo fluorescente próimo al domo.

/o"i!aci$" del %as de " &loresce"te   Materiales Generador de Van de Graaff" tubo fluorescente

Procedi#ie"to  4e pone en marc(a el generador de Van de Graaff y se coloca muy próimo un fl fluo uore resce scent nte e qu que e se su su)e )eta ta po porr un e etr trem emo o y se ap apro roi ima ma so sobr bre e el ot otro ro.. -pagando la lu3 puede apreciarse como el fluorescente se enciende.

Vie"to el*ctrico: Materiales: Van de Graaff" Graaff" un ob)eto con punta metálica" cinta aislante" punta metálica.

 

Procedi#ie"to  •

4e coloca con cinta aislante un conductor con forma de punta sobre el domo del generador y apuntando radialmente (acia fuera utili3ando la cinta aislante o la plastilina. -l acercar una vela encendida a la agu)a se observa como se desv'a la llama e incluso la vela se apaga.

•

4e de deti tien ene e el ge gene nera rado dorr y se de desc scar arga ga co con n una una pu punt nta a metá metáli lica. ca. ,n asistente toca el domo subido sobre un taburete aislado. 4e pone en marc(a y después estira su dedo (acia una vela encendida que de nuevo oscila. En esta ocasión el dedo (ace de punta.

0" #oli"illo el*ctrico:  Material:  Generador de Van de Graaff" molinillo con soporte aislante

Procedi#ie"to8 4e conecta el generador y se aproima el molinillo al domo del generador. /uando este se pone en marc(a" el molinillo empie3a a girar cada ve3 con mayor velocidad. *a distribución de la carga sobre el domo del conductor es uniforme debido a su form forma a es esfé féri rica ca.. Es Esto to no oc ocur urre re para para los los ob ob)e )eto tos s co con n fo form rma a irre irregu gula larr o no simé simétr tric ica. a. 5or es esta ta ra3ó 3ón n las las pa parrte tes s

estre strec( c(as as sie siemp mpre re tie tiene nen n ma may yor

concentración de cargas que las partes anc(as. El efecto será máimo para los ob)etos en forma de punta. En la punta que se (a colocado sobre el domo la carga en la punta será tan intensa que ioni3ará las moléculas del aire próimo.

 

*os *o s io ione nes s ne nega gati tiv vos se de desp spla la3a 3ará rán n (a (aci cia a el do domo mo de dell ge gene nera rado dorr pa para ra neutrali3ar su carga #que se supone que es positiva&. *os iones positivos" sin emba em barg rgo" o" se ale ale)a )an n #de #debi bido do a la re repu puls lsió ión n el elec ectr tros ostá táti tica ca&& de la ca carg rga a de dell gene ge nerrad ador or y no se neut neutrrali3 li3an an.. - me medi dida da qu que e el ge gene nerrado dorr fu func ncio iona na proporciona más y más iones positivos a alta velocidad. *os iones repelidos forman un viento llamado viento eléctricoH que sopla ale)ándose del generador generador.. En el molinillo la carga fluye desde el domo (acia las puntas. Esta carga distribuida forma una nube de iones en el aire. /ada punta negativa es repelida por la nube de iones asociada (aciendo que gire.

+ispas 2 Ra2os8 4e (acen saltar c(ispas entre el domo y una esfera conductora conectada a tierra simulando rayos

Materiales:  Genera Gen erador dor Va Van n de Gr Graaf aaff" f" esf esfer era a conduc conductor tora a con conect ectada ada a tie tierra rra"" un ob)eto ob)eto metálico en punta.

Procedi#ie"to8 •

*a esfera conectada a la base del generador #a tierra& se coloca a

unos un os po poco cos s ce cent nt'me 'metr tros os de dell do domo mo de dell ge gene nera rado dorr de Van de Gr Graa aaff ff.. /uando se conecta" el domo queda cargado negativamente y la esfera conect con ectada ada a tie tierra rra que queda da car cargada gada pos positi itiva vamen mente te por ind inducc ucción ión.. /om /omo o ocurre con la parte ba)a de una nube y el suelo. 4alta una c(ispa y las dos esferas pierden sus cargas. •

También Ta mbién se oyen c(asquidos. * *as as c(ispas equivalen a los rayos y los

c(asquidos son los truenos.

 

•

Varias veces a lo largo de esta sesión se (a descargado el domo del

Van de Graaff con un ob)eto conductor en punta que se su)eta con la mano. •

/on el sistema funcionando" una punta conectada a tierra se orienta

(acia el domo del Van de Graaff desde una distancia de varias veces la distancia entre el domo y la esfera conectada a tierra. *a punta descarga al do domo mo"" ev evit itan ando do la co cons nstr truc ucci ción ón de un una a ca carg rga a y la co cons nsig igui uien ente te descarga. -qu' se está simulando un pararrayos.

3ala de Farada2:  Materiales:  Genera Gen erador dor de Van de Graa Graaff ff""

una )aul )aula a con bar barrot rotes es metá metálico licos s que tie tiene ne

pegados papelitos por fuera y por dentro #también un pá)aro en equilibrio&" taburete aislante" esfera conductora conectada a tierra

Procedi#ie"to:  •

4e coloca la )aula sobre un taburete aislante y luego se conec conecta ta al domo del generador Van de Graaff. *a esfera conductora se conecta a tierra.

4e pone en marc(a el generador de Van de Graaff. *a )aula se carga con la mism mi sma a ca carg rga a qu que e el do domo mo.. *o *os s pa pape peli lito tos s de dell e ete teri rior or de la )aul )aula a se ve ven n repeli rep elidos dos mie mientr ntras as que los del int interi erior or per perman manece ecen n inal inalter terado ados. s. El pa) pa)ari arito to parece estar a salvo. -l acercar una punta conductora conectada a Tierra saltan c(ispas que no afectan al inter interior ior de la )aula" el pá)aro sigue a salvo.