minigenerador electrostÁtico
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MINIGENERADOR ELECTROSTÁTICO
Hugo Medina Guzmán PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ- DEPARTAMENTO DE CIENCIAS
LIMA-PERÚ [email protected]
Vivimos en un mundo electrostático, y la
fricción ayuda a que así sea. Hay fricción
cuando uno se mueve en el asiento, la ropa hace fricción con el asiento y se crea
electricidad por fricción, al colocar una hoja
de papel sobre una superficie vertical (la pared de yeso o una puerta de madera), frotar
vigorosamente con la mano y ver como se
pega allí por un tiempo. Se desarrollaron las cargas, y las fuerzas de atracción que
sostienen al papel contra la pared.
Recuerdo el relato de mi abuelo Andrés sobre el jinete que viajando en un día tormentoso
recibió la descarga de un rayo y siguió hasta
su destino y en el momento en que llegó a su
destino y se apeó, sufrió una descarga eléctrica que lo mató. Eso años después pude
comprenderlo, el jinete protegido por su
poncho impermeable estaba aislado y se cargó como un condensador gigante, más al poner
pie a tierra se descargó, fulminando al jinete
al instante. Pienso que este relato fue alguna
de las razones por las que me interesó la ingeniería.
Varios años más tarde cuando estaba
estudiando en la Universidad de Notre Dame
en South Bend Indiana, una localidad en el norte de los Estados Unidos. Durante el
invierno, el local de la facultad con
calefacción tenía el ambiente muy seco, era
muy común que los estudiantes que al caminar por el piso alfombrado adquirieran
carga y al momento de salir al tocar la perilla
de la puerta recibieran una descarga eléctrica desagradable, para evitar esto todos seguían la
rutina de descargarse previamente mediante
un foquito de neón colocado en una repisa
para uso de todos.
En mis inicios en la PUCP, un estudiante
cuyo nombre no recuerdo me mostró un
generador Van de Graff en miniatura hecho
con un motor de los usados en los carritos de juguete a pilas, una liga de jebe y la esfera
metálica sacada de un tajador de lápices en
forma de globo terráqueo. El aparatito reflectaba las láminas de un electroscopio y
me mostró la revista de la cual lo había
sacado, era Electrónica Popular.
Este aparatito me dio la idea que podía hacerse y realizar una serie de demostraciones
de Electrostática en la ciudad de Lima, con
humedad de 90 % casi todo el año, lo que hace imposible la realización de estas
demostraciones.
Espero que este trabajo lo encuentren útil tanto profesores como estudiantes de física.
BREVE HISTORIA DE LAS MÁQUINAS
ELECTROSTÁTICAS. Las primeras noticias del descubrimiento de
la electricidad se remontan al siglo VII a.C.
cuando Tales de Mileto (640-548 a. C.), uno de los Siete Grandes Sabios de la antigua
Grecia, estableció que al frotar un trozo de
ámbar (resina fosilizada) con un paño, éste empezaba a atraer pequeñas partículas como
hojas secas, plumas e hilos de tejido. Tales de
Mileto creyó que esto se producía debido a un
"espíritu" que se encontraba dentro del ámbar, al cual llamó elektron (que en griego
significaba ámbar) y de ello se deriva la
palabra electricidad.
A pesar de estos primeros estudios, ni la
civilización Griega en su apogeo, ni Roma en
todo su esplendor, ni el mundo feudal europeo
contribuyeron de manera significativa a la
comprensión de la electricidad y del
magnetismo, ni de la interactividad de ambos (llamado electromagnetismo).
Durante toda la edad media la ciencia cayó en
una época oscura en la cual las creencias religiosas "la amordazaron de pies y manos".
Con el Renacimiento (siglo XVII) se produjo
en Europa un cambio importante y las ciencias tomaron un nuevo impulso.
En 1600 William Gilbert (1544-1603),
médico privado de la reina Elizabeth, realizó
rudimentarios experimentos y el primer estudio científico sobre el tema, los que se
convertirían luego en los antecedentes de la
energía eléctrica (de la forma que conocemos a la electricidad actualmente). Gilbert publicó
en latín un tratado titulado "De Magnete",
sobre el magnetismo y las propiedades de atracción del ámbar.
Se sumaron a esto las observaciones del
jesuita italiano Niccolo Cabeo, en 1629, quien
determinó que los cuerpos cargados previamente por frotación, unas veces se
atraían y otras se repelían.
Éste fue el punto de partida de la historia de la electricidad, cuyo estudio y desarrollo durante
los siglos XVII y XVIII se limitó únicamente
a los fenómenos electrostáticos.
Otto Von Guericke, de Magdeburgo (inventor de la primera máquina neumática) construyó
en 1660, la primera máquina que generó una
carga eléctrica. Esta máquina era una gran bola de azufre atravesada de parte a parte por
una varilla montada sobre dos ranuras,
formando un eje. Con ayuda de una manivela y de una correa se le imprimía un rápido
movimiento de rotación, las manos aplicadas
contra la bola producían una carga mucho
mayor que el frotamiento ordinario. Van de Graff mejoró esta máquina electrostática tal
como la conocemos actualmente, llegando a
generar grandes cantidades de electricidad.
En 1707 Francis Hawkesbee construyó en
Inglaterra una nueva máquina eléctrica de fricción perfeccionada, un globo de vidrio
sustituía a la bola de azufre. Durante uno de
sus experimentos, un tubo que contenía un poco de mercurio recibió una carga de la
máquina eléctrica y produjo un chispazo que
iluminó la habitación (producto de este descubrimiento son las lámparas de vapor de
mercurio).
El año 1733, el francés François de Cisternay
du Fay descubrió que dos esferas de corcho, frotadas con una varilla de resina, se repelían
si se ponían en contacto una con otra. Pero, si
se cargaban por separado y de diferente
manera, una con una varilla de vidrio y la otra con una varilla de resina, se atraían en lugar
de separarse.
Du Fay y Stephen Gray fueron dos de los
primeros "físicos eléctricos" en frecuentar
plazas y salones para popularizar y entretener
con la electricidad. Por ejemplo, se electriza a las personas y se producen descargas
eléctricas desde ellas, como en el llamado
beso eléctrico que consistía en electrificar a una dama, quien daba un beso a una persona
no electrificada.
En 1745 se construyeron los primeros
elementos de acumulación de cargas, los condensadores, llamados incorrectamente por
anglicismo capacitores, desarrollados en la
Universidad de Leyden por Ewald Jürgen Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck.
Estos instrumentos, inicialmente
denominados botellas de Leyden, fueron
utilizados como curiosidad científica durante gran parte del siglo XVIII. En esta época se
construyeron diferentes instrumentos para
acumular cargas eléctricas, en general variantes de la botella de Leyden, y otros para
manifestar sus propiedades, como los
electroscopios.
En la primavera de 1746 el Abad Jean-
Antoine Nollet físico francés y tutor de la familia real de Francia, demostró que la
velocidad de la electricidad era muy alta con
un curioso experimento. Puso a 200 de sus monjes formando un gran círculo. Nollet
mandó una fuerte descarga eléctrica a través
de los monjes y todos saltaron a la vez. A la
vez. La conclusión de Nollet fue que la electricidad se movía muy deprisa.
El rey Luís XV tuvo noticias del experimento
y quiso verlo. Los monjes no aceptaron repetirla, tuvo que hacerlo sin monjes.
Consiguió 180 guardias reales y con ellos se
repitió el experimento varias veces. Los
guardias pegaron brincos lo mismo que los
monjes.
Benjamín Franklin, también conocido como uno de los políticos de la independencia de
los EEUU, fue un notable investigador de la
electricidad. Un amigo que venía de Europa le
llevó una botella de Leyden, con la que pudo llevar a cabo gran cantidad de
investigaciones. El año 1747 afirmó, en
contra de lo que se había dicho antes, que no había dos tipos de electricidad, sino uno solo
que se podía presentar por exceso o por
defecto y llamo a estos efectos "electricidad
positiva" y "electricidad negativa". Esta idea de dos electricidades era incorrecta,
pero los nombres de positivo y negativo
todavía se siguen utilizando.
En 1752 Benjamín Franklin de acuerdo a la
biografía de H. W. Brand hizo su famoso
experimento del rayo y la cometa. Franklin
voló una cometa de seda con una cuerda larga
con una llave de metal cerca del final durante una tormenta eléctrica. Franklin conectó al
dispositivo a una pieza de seda para aislarse.
Después de algún tiempo de vuelo de la cometa, le pareció que la cuerda estuviera
cargada. Tocó la llave con los nudillos y se
sintió una carga de la electricidad acumulada en el aire, no la de un rayo. Con este
experimento Franklin llegó a demostrar dos
cosas: que la materia que compone el rayo es
idéntica a la de la electricidad, y que un conductor de forma aguda y de cierta longitud
puede emplearse como descarga de seguridad
de las nubes tormentosas. Estas conclusiones le sirvieron para inventar el pararrayos.
La figura siguiente muestra una botella de
Leyden desmontable.
Este aparato experimental, inventado por
Benjamín Franklin, fue utilizado para ilustrar
una creencia errónea de que la carga en una botella de Leyden no reside en las armaduras
de metal, sino en el vaso dieléctrico. El frasco
estaba montado y cargado de electricidad. Si la botella se desarma en sus partes, se
encuentra que las partes no están cargadas y
se puede manipular sin necesidad de crear una
chispa. Sin embargo, si la botella se vuelve a montar, una chispa podría lograrse entre las
placas metálicas interiores y exteriores. Se
suponía que esto demostraba que la carga de botellas de Leyden y todos los condensadores,
se almacena en el dieléctrico no en las placas
de metal. Sin embargo, ahora se sabe que esto
era un efecto especial causado por la alta tensión en la botella de Leyden. Cuando la
botella se desmonta, la carga se deposita
sobre el vaso por la descarga corona. El desmontaje no elimina gran parte de la carga,
así que cuando la botella se vuelve a montar
hay suficiente carga para causar una chispa. En general, la carga en los condensadores,
tales como las botellas de Leyden se
almacena en las placas.
El primer electróforo fue inventado en 1762
por el profesor Johannes Carl Wilcke. Luego
el científico italiano Alessandro Volta perfeccionó y popularizó este dispositivo en
1775, lo que ha llevado a acreditarle
erróneamente su invención. Alessandro Volta le puso el nombre de electróforo, es decir
portador de electricidad. Este aparato
reemplazo a la botella de Leyden, y el
principio de dos placas está detrás de los actuales condensadores.
En 1776 Charles Coulomb (1736-1806),
utilizando una balanza de torsión para medir
la fuerza entre cargas eléctricas, corroboró que dicha fuerza era proporcional al producto
de las cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que separaba las cargas, este enunciado se conoció como Ley
de Coulomb.
Muchas máquinas electrostáticas se han
construido en 1765 John Reid, un fabricante
de instrumentos en Londres, construyó una máquina generadora portátil de electricidad
estática para tratar problemas médicos.
En 1783, John Cuthbertson construyó un aparato grande que podía producir descargas
eléctricas de 61 cm de longitud.
El electroscopio de láminas de oro, inventado
en 1787, consiste de dos hojas que se repelen
cuando reciben una carga eléctrica.
En 1881, El ingeniero británico James Wimshurst inventó su máquina de
Wimshurst, dos discos de vidrio con
segmentos de metal girando en sentidos opuestos. Escobillas que tocan los segmentos
de metal remueven la carga creada y la
conducen a un par de botellas Leyden donde se almacena para su uso posterior.
La más famosa de todas las maquinas electrostáticas es el generador Van de Graff.
Inventado en 1929 por Robert Jemison Van
de Graff, El generador de Van de Graff es una máquina electrostática que utiliza una cinta
móvil para acumular grandes cantidades de
carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. El primer generador Van de
Graaff operó a 80000 voltios, con el tiempo
se ha mejorado hasta cinco millones voltios.
Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen el tratamiento de tumores internos en
un hospital en Boston en 1937, esterilización
de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.
En la actualidad sigue siendo una de las
exhibiciones experimentales mas
ampliamente usada en escuelas y museos.
DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR
DE VAN DE GRAFF El generador de Van de Graaff es muy
simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o banda y dos colectores o terminales
hechos de finos hilos de cobre, y una esfera
hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.
Esquema de un generador de Van de Graaff.
1) esfera metálica hueca (con carga positiva)
2) electrodo conectado a la esfera, un cepillo muy próximo (pero no en contacto) al
electrodo y la banda
3) polea superior (metal) 4) lado de la banda con carga positiva
5) lado opuesto de la banda con carga
negativa
6) polea inferior (por ejemplo de teflón) 7) electrodo inferior (tierra)
8) dispositivo esférico con carga negativa,
utilizado para descargar la esfera principal
9) chispa producida por la diferencia de
potencial
Las cargas eléctricas se separan en el punto
donde la banda de jebe y la polea de teflón caminos separados. La se lleva el exceso de
carga positiva y la polea de teflón una carga
neta negativa. El colector inferior se lleva el exceso de electrones de la polea y el flujo de
estos a través del operador. A medida que la
banda positiva pasa sobre la polea superior metálica, los electrones libres del acumulador
(tubo de control) son absorbidos a través del
colector superior en la banda deficiente de
electrones. Los electrones se llevan hasta la polea inferior, donde se repite el ciclo.
El colector inferior se conecta a los dedos del
operador (la Tierra) a través del aro de metal del botón.
UN GENERADOR DE VAN DE GRAAFF
FÁCIL Y CASERO
En muchos experimentos necesitamos
electricidad estática para realizarlos. Hoy, precisamente veremos como hacer un
generador de Van de Graaff casero, el cual no
es más ni menos que un dispositivo que se encarga de “crear” y “concentrar” cargas
eléctricas estáticas (cargas electrostáticas)
Si bien nosotros vamos a hacer un generador de Van de Graff de menor escala que el de
éste científico, las diferencias de potencial
que podemos lograr con éste superan
ampliamente los 20000 Voltios.
Materiales: * Lata de gaseosa
* Banda elástica gruesa
* Trozo cilíndrico de teflón
* Trozo cilíndrico de aluminio
* Tubo plástico * Alambre rígido, puede ser de cobre o no,
basta que sea conductor de la electricidad.
* Motor eléctrico 3 V * 2 pilas de 1,5 V
* 75 cm de conductor eléctrico
Construcción.
El soporte
El rodillo inferior es un cilindro de teflón de
de 1, a 2 cm de diámetro el rodilo superior igual pero de aluminio.
El tubo plástico de nuestro generador de Van
de Graff casero tiene que tener el diámetro suficiente como para que entren los dos
rodillos. De entre 30mm y 50mm de diámetro
interior puede andar bien. Lo importante es que sea de material aislante.
Colocamos los rodillos dentro del tubo de tal
manera queden fijos y puedan girar. No
olviden que antes de fijarlos se debe colocar la banda elástica.
Escobilla inferior.
No es más que las puntas de los alambres de cobre que están muy próximos a tocar la
banda elástica, pero no lo hacen como se
muestra en la fotografía siguiente.
Escobilla superior. Del mismo modo que lo hiciste en la inferior.
El otro extremo de este conductor, lo unirás a
la estructura que debes hacer con el alambre
rígido, como se muestra en la fotografía.
Para terminar el generador de Van de Graff
casero, se debe pegar el tubo a una base de
madera y conectar los bornes de la batería a
los del motor y colocar la lata de gaseosa como cúpula esférica de metal del generador.
EL FUN FLY STICK. Una generador de Van de Graff usado como juguete
El Fun Fly Stick es una especie de varita
mágica que hace levitar como por arte de magia una estructura de aspecto metálico.
Las varitas son en realidad pequeños
generadores de Van de Graff, máquinas
electrostáticas portátiles que utilizan la carga de electricidad estática acumulada, de miles
de voltios (pero a baja intensidad) para hacer
levitar y controlar la ligera estructura
La fotografía siguiente muestra el corte
longitudinal del sistema de poleas y banda del
generador.
La única parte evidente que no hay en el Fun
Fly Stick es la típica cúpula esférica de metal
del generador de Van de Graff. El inventor, Boris Kriman, quería un acumulador sin la
chispa de descarga, por lo que tuvo la idea de
un tubo de cartón. Cartón tiene una alta resistividad eléctrica, pero se convierte en un
conductor cuando es sometido a alta tensión
de electricidad.
Además descarga mas lentamente que el metal por lo que se elimina la sensación de
chocante. El resultado: Un juguete seguro los
niños pueden utilizar sin incomodidad para el operador.
El secreto es que el Fun Fly Stick tiene dentro
un generador Van de Graff en miniatura
oculto. Pero no se preocupe, el campo de
energía invisible que es emisor es
completamente seguro y no se producen
chispas o descargas peligrosas.
Utiliza cargas estáticas para repeler a las formas de aluminio y otros artículos ligeros.
Es verdad que levita. Formas especiales de
aluminio como mariposas, flores, globos y esferas que pueden ser guiados a través del
aire por la magia del Fun Fly Stick. También
hay una gran variedad de experimentos para entender cómo se forma la carga estática,
como interactúa con otros objetos cargados y
no cargados, y comprender el concepto de la
electricidad estática de una manera divertida y emocionante
CONCLUSIONES Muchas veces tenemos en la mente ideas que
creemos imposible que puedan no funcionar
en la práctica, realmente llevadas a cabo fallan. Se necesita de mucho empeño y
dedicación, ya que en el armado de
dispositivos de este tipo se requiere mucha
precisión. Las primeras veces encontramos dificultades,
ya que el motor no sólo no arrastraba la
banda, sino que le costaba funcionar. Descubrimos allí que el rodillo estaba
haciendo palanca sobre el eje de rotación del
motor, y entonces éste no podía hacer girar
ese rodillo. Fuimos encontrando muchísimos errores en el camino, y eso fue lo que día tras
día nos iba desafiando. Al mismo tiempo creo
que esos obstáculos van a poner a prueba constantemente la perseverancia del individuo
que está determinado a investigar aquello que
se propuso. Por otra parte, para construir algo similar a un
generador real, no sólo es necesaria la base
teórica del funcionamiento, sino que también
se requieren conocimientos de ingeniería aplicada para resolver los obstáculos que
surgen en el camino. Para esto fue invalorable
la ayuda de gente que supo instruirme sobre las herramientas posibles para trabajar, y
ciertos principios sobre cómo trabajar algunos
de los materiales utilizados. Vale remarcar que para solucionar los
obstáculos fue necesario contar con la ayuda
de un equipo que estuvo dispuesto
incondicionalmente a colaborar. Creo que no vale la pena aclarar que ya
existen construidos generadores de este tipo
en todo el mundo, por lo cual este generador no es completamente original. Pero en mi
proyecto la idea que sí es original estuvo
íntimamente afectada por el objetivo de lograr
el montaje de un generador con una inversión
económica ínfima para el tipo de aparato que es, y que nos permitiera comprender muchos
fenómenos físicos relacionados con la
triboelectricidad y la electrostática de la forma más sencilla posible y construido de tal
forma que pudiera ser fácilmente
transportable. Creo que sería muy factible valerse de un dispositivo de este tipo en la
enseñanza de la electrostática a todo nivel.
A mí me hubiera gustado mucho haber tenido
la posibilidad de aprender electrostática con una máquina de este tipo.
BIBLIOGRAFÍA 1. J.S.Fernandez, E.E.Galloni. Física
Elemental (vol 2), 3° edición, Editorial Nigar
S.R.L. 2. R.A. Serway, J. S. Faughn. Física, 5º
edición, Pearson Education, México.
3. Wilson. 1996. Física, 2ª ed. Editorial
Prentice-Hall
4. Hewitt Paul G. 1999 Física Conceptual, 3ª
ed. Editorial Addison-Wesley.
5. CIENCIA
http://www.geocities.com/edug2406/index_fisica.htm
6. The physics classroom, un sitio muy
interesante con demostraciones animadas 7.
http://www.physicsclassroom.com/mmedia/es
tatics/estaticTOC.html 8. Experiments with frictional electricity, un
sitio con distintas propuestas realizables en
casa
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/8063/experime.htm
9. Electrostatic Applications Website un sitio
con links vinculados a la electrostática como organizaciones, electricidad atmosférica,
enseñanza, aplicaciones, etc.
10. http://www.electrostatic.com/other.htm 11. www.profbunsen.com.au
12.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet
/campo_electrico/graaf/graaf.htm 13. http://scitoys.com/