2 GENERADOR VAN DE GRAFF

Vista previa del material en texto

Generador de Van de Graaff 
Karen Noemí Gómez Cáceres, Leticia Morel Lisik, María Elena Zabala Britos, Noelia Fernanda 
Maldonado Britos, Sergio Alejandro Aranibar Claros 
Laboratorio de Física III – Universidade Federal de Integración LatinoAmericana 
Av. Tancredo Neves - Foz de Iguazu - PR – Brasil 
 
 El experimento realizado tiene como objetivo verificar los principios de 
electrostática mediante el estudio del funcionamiento del generador de Van de Graaff, 
observando los campos eléctricos producidos a su alrededor, utilizando papel aluminio, un 
torniquete y hebras del cabello humano, también expone la descarga de corriente en gases de 
alta presión con auxilio del bastón de test del generador y el mapeamiento de las líneas de campo 
por medio del aceite de soja, harina de mandioca, una cuba acrílica y de la electrización de 
electrodos que poseen formas variadas, siendo estas las determinantes en el comportamiento de 
las partículas de la harina. 
 
 
 
Introducción 
Robert J. Van Der Graaff diseñó en 1929 el 
generador eléctrico que llevaría su nombre en el 
Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) con 
el fin de realizar experimentos en el campo de la 
física nuclear. Esta es una máquina que almacena 
carga eléctrica en una gran esfera conductora hueca 
gracias a la fricción que produce una correa sobre 
unos peines metálicos, sus cargas son transportadas 
por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde se 
comienzan a acumular. Un generador de Van Der 
Graaff es lo que se conoce como fuente de corriente 
o de intensidad, es decir, una fuente que provoca una 
intensidad determinada y que hace que ésta no varíe 
con el tiempo. 
Su principio de funcionamiento se basa en el que 
un motor eléctrico hace girar la polea inferior del 
generador, en el momento del contacto con una 
correa aislante, esta se electrifica con cargas que 
dependen del material, de este modo ambos objetos 
adquieren cargas iguales, pero de signo contrario. 
Sin embargo, la densidad de carga es mayor en la 
polea al poseer una menor superficie de extensión 
comparada a la correa. La polea inferior induce 
cargas de signo contrario a un peine de hilos 
conductores finos, por lo que el intenso campo 
eléctrico generado ioniza el aire, formando un 
plasma conductor que, a pesar de ser atraído por la 
polea, tiene cargas arrebatadas por la superficie de la 
correa, la cual transporta un flujo continuo de carga 
(positiva o negativa) hacia una polea superior de 
material neutro, para evitar el transporte de cargas en 
el descenso. Las cargas que llegaron a la polea 
superior pasan al otro peine conductor, que se 
encuentra dentro de una esfera hueca de acero, 
creando nuevamente un intenso campo que ioniza el 
aire del interior de la esfera. 
El campo eléctrico es un campo físico que se 
representa por medio de un modelo que describe la 
interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades 
de naturaleza eléctrica. Se puede describir como 
un campo vectorial en el cual una carga 
eléctrica puntual de valor sufre los efectos de 
una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación: 
E=Fq0 (1) 
En el SI, esta grandeza es medida en N/C [1]. 
Las líneas de campo (o líneas de fuerza) fue 
introducido por Michael Faraday (1791-1867). Son 
líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va 
variando la dirección del campo eléctrico al pasar de 
un punto a otro del espacio, estas indican las 
trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva 
si se la abandona libremente, por lo que las líneas de 
campo salen de las cargas positivas (fuentes) y 
llegan a las cargas negativas (sumideros), para 
cualquier punto espacial, la orientación de E es 
tangente a las líneas de campo en dicho punto. 
Procedimento experimental 
Parte I: Tiras de papel aluminio en el exterior 
Se recortó el papel aluminio en tiras de 0,5 cm por 5 
cm aproximadamente, se pegaron con cinta por la 
parte externa del generador de Van der Graaff. 
 
Parte II: Tiras de papel aluminio en el interior 
Se retiró las tiras de aluminio de la parte exterior del 
generador de Van der Graaff y se pegó en la parte 
interna del mismo. 
 
Parte III: Poder de las puntas en hélice 
Se colocó un torniquete en la parte superior la esfera, 
luego se conectó el generador a una velocidad media. 
 
Parte IV: Poder de las puntas en el cabello 
Se eligió a una alumna de cabello largo para que 
tocase con las manos la esfera estando esta parada 
sobre una base aislada (tapete de goma), luego el 
generador fue encendido. 
 
Parte V: Descarga en gases de alta presión 
Primeramente, se aterrizó el bastón de cabeza, se 
conectó con el generador y finalmente se acercó el 
bastón al generador. 
 
Parte VI: Mapeo de las líneas de fuerza en un 
campo eléctrico 
Inicialmente se colocaron electrodos en una placa de 
Petri, luego se puso aceite de forma que cubriese 
todos los electrodos adicionando un poco de harina 
de mandioca, y por último fue encendido el 
generador electroestático. 
Se realizó el mismo procedimiento para 
todos los electrodos de distinta geometría: dos 
barras, dos circunferencias, uno puntiagudo con un 
anillo y el anillo solo. 
Resultados y Discusiones 
Procedimiento I: Distribución de las cargas 
eléctricas en los cuerpos 
El comportamiento de las tiras de papel aluminio 
denota que el cuerpo cuando se encuentra electrizado 
genera un campo eléctrico a su alrededor con 
dirección radial, explicando el porqué de la 
perpendicularidad entre el eje formado por la 
columna del generador y las tiras de papel aluminio 
cuando son elevadas. Como la esfera del generador 
y las tiras de papel aluminio ejercen entre sí una 
fuerza de repulsión se puede certificar que las 
mismas poseen cargas de mismo signo. 
En tanto, cuando las tiras de papel aluminio 
se encuentran adheridas en la parte interna de la 
esfera nada es observado, esto puede ser explicado a 
partir de la ley de Gauss que dice que cualquier 
exceso de cargas colocado en un conductor aislado 
se moverá enteramente para la superficie del 
conductor. Ningún exceso de carga será encontrado 
en el interior del cuerpo del conductor. 
 
Figura 1: Tiras de papel aluminio adheridas en la 
parte interna de la esfera. 
 
Procedimiento II: El poder de las puntas 
Cuando un cuerpo conductor está cargado con cargas 
eléctricas estáticas, éstas se acumulan en las puntas, 
es decir, en los lugares en que existen superficies 
puntiagudas. El potencial eléctrico es muy grande en 
esa zona, por lo que las moléculas de aire que tocan 
la superficie de la punta se cargan y por ello son 
repelidas. El generador de Van de Graaff almacena 
gran cantidad de cargas y genera un campo eléctrico 
que afecta la elipse, esto se percibe cuando la misma 
comienza a girar, almacena dicha carga del campo 
eléctrico y al tratar de liberarla es cuando produce el 
movimiento 
En el experimento se demostró que las 
cargas del mismo signo se repelen. Todas las hebras 
del cabello tienen la misma carga neta y por tanto se 
repelen fuertemente, pues la carga eléctrica se 
distribuye entre la esfera del generador y la 
superficie del cuerpo humano; como es energía 
estática no entra al cuerpo, sino que sale por las 
puntas del cabello, provocando que esta se levante. 
 
Figura 2: Alumna con las hebras de cabello levantado. 
 
Figura 3: Torniquete en la parte superior de la esfera. 
 
Procedimiento III: Descarga en gases de alta 
presión 
Con el fin de establecer una diferencia de potencial 
dos electrodos son unidos a los polos del generador. 
La descarga del gas se da cuando la diferenciade 
potencial alcanza un valor elevado. 
Como las moléculas del gas son formadas 
de átomos que poseen en el interior partículas 
cargadas de electricidad. Estos son neutros, es decir 
el número de partículas positivas es siempre igual al 
número de partículas negativas. Cuando es aplicada 
una diferencia de potencial V en los electrodos 
aparece un campo eléctrico entre ellas. 
Como la corriente es formada de cargas 
eléctricas en movimiento, si en ese campo formado 
tan solo existiesen moléculas del gas neutro, no 
podrá haber nunca una corriente eléctrica, estas ni 
siquiera serán sujetas a las fuerzas ejercidas por el 
campo eléctrico ya que el mismo solo ejerce fuerza 
sobre cargas eléctricas. Pero hay que considerar 
también la existencia de iones en el gas, muchas 
moléculas del mismo pierden electrones y se 
convierten en un conjunto de partículas cuya carga 
total es positiva. Estas cargas en movimiento (iones 
y electrones) constituyen la descarga que es la 
corriente eléctrica en el gas. 
Cuando se aplica la diferencia de potencial 
V entre los electrodos, el ion del gas, siendo positivo, 
es atraído por el cátodo. Ese ion es entonces 
acelerado y aumenta su energía cinética. El mismo 
puede encontrar una partícula neutra cuando se 
desplaza para el cátodo y por choque producir su 
ionización, provocando la formación de un ion 
positivo y nuevos electrones que son atraídos por el 
cátodo y el ánodo respectivamente, a su vez estos 
colisionan con nuevas partículas que por choque son 
también ionizadas. Esto se repite continuamente en 
un periodo muy corto de tiempo produciendo una 
gran cantidad de iones desplazados al cátodo y de 
electrones al ánodo. Los mismos son las cargas 
eléctricas en movimiento que componen la corriente 
eléctrica del gas. 
 
Figura 4: Descarga en gases de alta presión. 
 
Procedimiento IV: Mapeamiento de líneas de 
fuerza en un campo eléctrico 
Inicialmente las partículas de harina se 
encuentran en estado neutro, al encender el 
generador electrostático, los granos son polarizados 
por inducción eléctrica provocando la alineación de 
las partículas de tal forma que el polo positivo de uno 
es atraído al polo negativo del otro, estas 
alineaciones siguen las líneas de campo. 
En los electrodos en forma de barra se pudo 
observar que las partículas de harina iban en línea 
recta de un electrodo al otro, siguiendo las líneas de 
campo, de esta forma fue posible visualizar que el 
campo eléctrico entre las dos barras era uniforme. 
En los de forma circular se observó que las 
partículas de harina que se hallaban entre los 
electrodos formaban curvas que iban de un electrodo 
al otro, y las que se hallaban en la proximidad de un 
solo electrodo formaban curvas que iban desde el 
electrodo hacia afuera. 
En el puntiagudo y con forma de anillo, 
ambos con cargados con signos opuestos, fue posible 
visualizar líneas entre las partículas ubicadas en la 
región próxima a ambos electrodos, en el área más 
próxima se observaron líneas rectas y a medida que 
los electrodos quedaban más distantes las líneas 
empezaban a arquearse. 
En el electrodo con forma de anillo, las 
partículas de harina del área interna no manifestaron 
ninguna configuración de campo eléctrico, lo que 
sugiere un campo eléctrico nulo, mientras que las 
cercanas al borde exterior formaron líneas 
perpendiculares a la superficie, debido a que el anillo 
se encontraba cargado, por cual las partículas se 
repelían entre sí. 
En todos los casos, con las formas de 
alineación de las partículas de harina, se pudo 
comprobar que las líneas de campo entran o salen de 
los cuerpos con un ángulo de 
90o(perpendicularmente). 
 
Figura 5: Líneas del campo eléctrico entre electrodos en 
forma de barra. 
 
Figura 6: Líneas de campo eléctrico entre dos electrodos 
circulares. 
 
Figura 7: Líneas del campo eléctrico entre dos electrodos 
de distinta geometría. 
 
Figura 8: Líneas del campo eléctrico de un electrodo en 
forma de anillo. 
Conclusiones 
Se concluye la verificación de los 
principios de electrostática mediante el generador de 
Van De Graff, generando este un campo eléctrico 
alrededor de la superficie de la esfera mientras que 
en su interior el campo eléctrico es nulo, el 
comportamiento de las tiras de papel aluminio al 
estar adheridas primeramente a la superficie de la 
esfera del generador y posteriormente dentro del 
mismo demostraron esto. A partir de la observación 
del movimiento del torniquete y la elevación de las 
hebras del cabello se pudo comprobar que dos 
cuerpos electrizados con cargas de mismo signo 
tienden a repelerse. 
Del mismo modo fue verificado como un 
gas puede ser un conductor, con el requisito de que 
existan iones en su volumen y que estos al adquirir 
movimiento produzcan la ionización de las 
moléculas neutras que posteriormente serán los 
componentes de la carga eléctrica. 
Finalmente, con auxilio de las partículas de 
harina fue posible tener una idea de las formas de las 
líneas de campo para cada tipo de electrodo, 
comprobar que estas siempre son perpendiculares a 
la superficie de los cuerpos cargados eléctricamente, 
y que el campo eléctrico dentro de un anillo cerrado 
es cero, debido a que en el interior del anillo no se 
observó ningún movimiento de las partículas. 
 
Referencias 
[1] HALLIDAY D.; R. RESNICK. Fundamentos de 
Física. Vol. 3. 8 ed. Editora LTC, 2009. p. 22-25. 
 
[2] DÍAZ F. I.; ROMERO S. A. Construcción de un 
Van der Graaff casero. Sevilla, 2010. Disponible en 
<https://www.i-
cpan.es/concurso2/docs/accesit2_experimentos.pdf> 
Accesado en: 15 de Ago. de 2018.