MANUAL DE CONSTRUCCIÓN DE UN “GENERADOR VAN DE GRAAFF”

PROYECTO PRESENTADO EN 

LA FERIA DE FÍSICA Y MATEMÁTICA, UNIVERSIDAD FEDERÍCO SANTA MARÍA

INSTITUTO DE HUMANIDADES CONCEPCIÓN

Alumnos: Ricardo Stuardo - Diego Serón

Profesores asesores: Álvaro Oñate -  Ariel Araneda

Introducción:

La electricidad es un agente esencial en nuestra vida cotidiana, y por lo mismo es importante identificar aquellos aspectos que estén relacionados con ella. Una de sus principales áreas de estudio es la electrostática, la que desde un enfoque práctico permite visualizar a la electricidad como una propiedad de la materia y a la fuerza eléctrica como una interacción entre distintos cuerpos. Por todo lo anterior consideramos valioso presentar un montaje experimental que nos permite observar los diversos fenómenos de interacciones electrostáticas de manera llamativa, y describirlos de una manera empírica y simple, utilizando para este fin un aparato construido con materiales reciclados y otros de bajo costo.

¿Qué es un Generador Van der Graaff?

El Generador de Van de Graaff es una máquina electrostática empleada en física nuclear para producir tensiones muy elevadas. El generador fue desarrollado en 1931 por el físico estadounidense Robert Jemison Van de Graaff. Consiste en un terminal de alta tensión formado por una esfera metálica hueca montada en la parte superior de una columna aislante. Una correa continua de caucho, se mueve desde una polea situada en la base de la columna hasta otra situada en el interior de ésta. Mediante una tensión eléctrica de unos 50.000 voltios se emiten electrones desde un peine metálico de púas afiladas, paralelo a la correa móvil. La correa transporta las cargas hasta el interior de ésta, donde son retiradas por otros peines y llevadas a la superficie de la esfera. A medida que la correa va recogiendo cargas y las transporta hasta la esfera, se crea una diferencia de potencial de hasta 5 millones de voltios. El generador Van de Graaff se usa para acelerar un haz de electrones, protones o iones destinado a bombardear núcleos atómicos.

                                                           MATERIALES

Generador Van der Graaf casero terminado
 

	Estructura:		Costo
1	Cubreplatos		3000
2	Tapa PVC 110 mm		420
3	Tubo PVC 110 mm		1500
4	Copla PVC 110 mm		1000
5	Tapa PVC 110 mm		420
6	Escuadras sillas 2"		460
7	Base de Madera		500
8	Topes de Puerta 30mm		1800
	Sistema de Carga
9	Colector de cargas		reciclado
10	Escobilla de cargas		reciclado
11	Rodillo Superior
12	Banda de caucho		Reciclado
13	Tubo de antena TV		Reciclado
14	Perno 3/16" (espárrago)		1800
15	Tuerca 3/16"		400
	Detalle sistema de cargas
16	Tira de caucho*		reciclado
17	Tapa PVC 32mm		500
18	Tubo de PVC 32mm		500
19	Lata bebida de aluminio		reciclado
20	Lata de tarro de café		reciclado
	Total:	$	12.300

       *Considerando el motor que    $          20.000

         en este caso es reciclado  

                                                 ESQUEMA DE COMPONENTES

Plano en detalle del montaje de componentes.

MONTAJE:

Disponiendo de todos los materiales en la lista, procedemos a la construcción del generador:

Paso 1: En la base de madera de unos 25x25cm, se traza una línea a lo largo y en el centro se ubica la tapa de pvc de 110 mm (5*), que será atornillada.

Paso 2: Se atornillan, sobre la misma línea, las escuadras (6) de acuerdo al esquema, las que deben quedar separadas 9 cm.

Paso 3: Se ubica el tubo de pvc (3) sobre la tapa. A 5cm del extremo superior se ubica la copla de pvc (2), la que se fija al tubo con adhesivo o con cinta aislante.

Paso 4: Se perfora un cubre plato en el centro (110mm de diámetro) de manera que pueda montarse ajustadamente en el tubo (3).

Paso 5: Se perfora el segundo cubreplato en el centro (1cm de diámetro) en el que se ubicará el mástil de carga, y se unirá con el primer cubre platos con cinta aislante.

Sistema de carga:

Paso 7:  Se construyen los dos rodillos (11) utilizando las piezas (17) y (18). La pieza (18) se cortará de 8,5 cm de largo

Paso 8: Se prepara la banda de caucho (12), utilizando una cámara de bicicleta de 40x4cm que se pegará formando una cinta.

Paso 9: Cada rodillo tiene una perforación de 3/16”, por la que cruza un trozo de antena de tv 110mm, que se cortará 1 ó 2 mm más largo que el rodillo.

Paso 10: El rodillo superior es ubicado a 3cm del extremo superior de la pieza (3), siendo éste perforado previamente.

Paso 11: El rodillo Inferior es ubicado entre las escuadras silla (6), utilizando un perno de 3/16” (14), que cruza el trozo de antena y que es asegurado mediante tuercas (15).

Paso 12: La banda, unida en sus extremos es ubicada entre los rodillos, ver figura.

Paso 13: Utilizando una lata de bebida se construye la pieza (19), de 4x8cm, el extremo en contacto con la banda debe ser cortado con forma de dientes.

Paso 14: La pieza (19), es adherida con cinta aislante al tope de la pieza (2),

Paso 15: Un segundo peine (20) es construido con la lata de un tarro de café de medidas 8x3,5cm y es perforado y atornillado al centro de la tapa (5), de manera que la pieza quede en contacto con la cinta, (ver esquema) (10). 

Sistema de transmisión.

Paso 16: Un pequeño motor con un engranaje en su salida es unido a la base de madera utilizando una abrazadera. Una banda elástica une el engranaje con el extremo del rodillo inferior, ver esquema.

Paso 17: Dependiendo del tipo de motor seleccionado puede funcionar al conectarse a la línea eléctrica, o en nuestro caso a una fuente de poder de 12V, con un máximo de 6V en este caso.

                                              FOTOS DEL PROCESO DE MONTAJE

Preparación de la base. Lleva pequeños cortes cuadrados,
dispuestos diametralmente opuestos para facilitar
la instalación de las escuadras y un corte lateral rectangular (como se muestra en la figura) para
poder adosar posteriormente el motor y sus correas de transmisión.

Fijación de la tapa de PVC de 110 mm a la base de madera, se
recomienda primero hacer los orificios en la tapa y luego apernar.

Detalle de uno de los dos rodillos. El tubo debe tener
aproximadamente 8.5 [cm] de largo para  que al colocar
los tapones su largo no supere el diámetro interior del tubo de PVC.
Los tapones de los rodillos deben tener orificios en los
extremos de tamaño similar a los pernos ocupados
para fijar este al cuerpo del generador. Se instalan los tornillos de tal
forma que quede  una porción del tornillo fuera del cilindro y se
  le puedan fijar las escuadras por medio de las tuercas

Banda de carga, el ancho de la banda no debe ser mayor al ancho
central del rodillo de carga, escobilla colectora (arriba) y
escobilla de carga (abajo), estas escobillas deben ser de metales distintos.
Fijarse que la escobilla colectora tiene dientes.

(Izquierda)Tubo de PVC 110 mm que será el cuerpo del
generador, al cual se le han hecho unos cortes para no
interferir con las escuadras que sujetan el rodillo inferior.
Se aprecian también el trozo de copla que sujetará a la
esfera, el eje del rodillo superior y la escobilla de carga
(centro). A la derecha se ve el sistema de la banda de
carga y los rodillos.

Instalación de la escobilla de carga. El cable que parte desde
el tornillo es el cable de tierra ( se enrolla en la cabeza del tornillo
antes de fijar completamente el tornillo a la base).

Instalación de la escobilla de carga, se fija a la base
mediante el tornillo que posee el cable a tierra, no olvidar que al momento
de instalar la escobilla esta debe quedar en contacto con la banda de carga.

Sujeción de las escuadras a la base de madera, recordar que los
cuadrados deben  estar diametralmente opuestos.
Recuerda que antes de fijar ambos lados del rodillo a la base debes instalar la banda de carga

Se fija las escuadras al rodillo de carga utilizando las tuercas y los hilos  de los tornillos que previamente se instalaron en el  rodillo. Es recomendable hacer esto antes de fijar los rodillos a la base o a la parte superior del tubo 

Al momento sujetar el lado del rodillo que está junto a ranura del motor, instalar  la banda de transmisión del motor de forma que quede sobre uno de los tapones del rodillo.

Se instala el cuerpo del generador el que debe quedar dentro
de la tapa que forma la base. Se procede a instalar el segundo rodillo, antes de
instalar completamente dicho rodillo se debe
hacer pasar la banda de carga por el segundo rodillo.

Se instala la escobilla colectora en la parte superior del  tubo de PVC  que ya tiene instalado ambos rodillos y la banda de carga. la escobilla debe quedar conectara a la esfera  (de ésta forma se cargará la esfera ). no olvidar que a escobilla debe quedar en contacto con la banda de carga de tal forma que solo la toque por medio de los dientes que posee

Se fija el rodillo de descarga al generador por medio
 de los pernos que salen del rodillo, el tubo previamente
debe tener orificios  para  que  se puede sujetar el rodillo al tubo.

Se crea un tapón con un pedazo de metal para los pernos
que salen del rodillo  no  salgan de su lugar  y luego se recubre por cinta aislante

Anillo de PVC , el se encargará de sujetar la esfera, debe quedar bien sujeto.
 Se recomienda instalar antes de adosar  el rodillo superior.

Se calcula la distancia a la cual se dispondrá el arreglo del motor.

Se fija una abrazadera en un bloque de madera para luego colocar el motor  del generador. Es recomendable que el bloque tenga ya hechos orificios para posteriormente sujetarlo a la base del generador

Finalmente se instala la esfera metálica sobre el cuerpo ya armado, la que debe quedar en contacto con al escobilla colectora.

Se adosa el arreglo del bloque y el motor al generador, cuidando que la banda pueda transmitir de forma eficiente las revoluciones del motor al cilindro de carga. Inicialmente solo colocar el tornillo de la abrazadera del motor de forma que se pueda ubicar eficientemente el motor en la base y luego fojar con los tornillos del bloque de madera

 10 Actividades para desarrollar con el Generador Van der Graaff


1. Carga de pequeños cuerpos e interacción de estos.

Se coloca confeti  sobre la esfera del generador, luego se le da marcha y se produce un efecto similar al de una erupción de un volcán.

 2. Botella de Layden 

 Se acerca la botella de Layden (condensador) a la esfera para cargarla para luego descargarla por medio de un objeto metálico o un cuerpo humano. También se puede acercar a un electroscopio que marcara la presencia de carga eléctrica.

3. Viento iónico

Se pega con cinta una aguja metálica a la esfera y se acerca una vela encendida, se verá el desplazamiento de la llama, Este experimento puede provocar la ionización de todo el ambiente y si una persona esta aislada cercano a la punta  se carga eléctricamente y si toca a otra le provocara una pequeña descarga. También si se esta en un lugar oscuro puede hacer parpadear los tobos fluorescentes por ionización del gas.

4. Motor iónico

Se corta un huso de aluminio, en el centro se coloca un soporte para que pueda girar libremente y se doblan las puntas una hacia arriba y la otra hacia abajo. Luego se afirma una aguja en forma vertical sobre la esfera y en el extremo se coloca la hélice, se da marcha al generador e inmediatamente de produce el movimiento. 

5. Descarga de chispas

Se toma con una pinza aislante un objeto de bastante masa algo esférico. Dependiendo de la diferencia de potencial que alcance el generador al acercarlo podemos obtener chispas, también hay que tener en cuenta que la humedad del ambiente influye, se recomienda un ambiente seco. También se pueden logar chispas largas acercando un tubo fluorescente esto también ionizara el gas del tubo.

6. Carga de una persona o de un Pompón de tiras de papel

Se busca una persona de poca masa muscular cabello largo fino y limpio. Lo hacemos subir a un trozo de plumavit  y le hacemos tocar la esfera con el generador apagado y descargado luego lo ponemos en marcha. Se verán los pelos de punta al cargarse cada pelo con la misma polaridad de carga.

7.   Jaula de Faraday

  Se construye una especie de jaula metálica de malla en cuyo interior se coloca un electroscopio, luego se acerca el conjunto al generador y se constata que el electroscopio no acusa carga, luego se hace el mismo experimento sin la jaula y se comprueba que las plaquitas se distancian.

8.   Campanas de Franklin

  Se fabrica un dispositivo con dos latas de bebida un lápiz plástico y un péndulo hecho con un hilo y un objeto conductor liviano (puede ser una bolita de aluminio). Con un cable se conecta una lata a la esfera y  la otra se conecta a tierra, se enciende el generador provocando un golpeteo del péndulo contra ambas latas.

9.   Péndulo electrostático

   Con una bolita de aluminio y una tira de material aislante se cera un péndulo. Al ponerlo en contacto con el generador éste se cargará.

10.   Hailstorm Box o Caja de Granizado

     Con bolitas de plumavit recubiertas de aluminio se puede realizar este experimento, para ello es necesario ubicar las bolitas en un recipiente aislante y estas comenzarán a vibrar a acercar el contenedor al generador.

Proyecto Terminado

* CLAVE: El manejo de la temperatura es de vital importancia, en ambientes muy fríos y húmedos por sobre todo, el generador no funciona de manera óptima, se recomienda realizar la experiencia en una habitación idealmente cerrada y si es posible con algún tipo de fuente calórica (estufa/radiador/etc.) cerca del experimento para mejorar las condiciones.