Generador Van de Graff- Capítulo II
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2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Los estudios realizados, en los distintos medios de documentación, han dado como
resultado, el hallazgo de los siguientes antecedentes, los cuales guardan una estrecha
relación con nuestro trabajo de investigación.
Mena Alfredo (Diseño de un generador electrostático de Van Der Graaff para prueba
de equipos con corriente continua. obtener titulo de Ingeniería Eléctrica Escuela Politécnica
Nacional, Facultad de Ingeniería, 1975.
Se procede a realizar un estudio de la generación de las altas tensiones continuas;
también de la teoría del campo eléctrico; de este modo se aborda el diseño de los elementos
estáticos que conforman el generador de Van Der Graff; finalmente se aborda el diseño de
los elementos dinámicos complementarios y su presupuesto.
TAPIA, LUIS (2006) Estudio de la variación del voltaje y la frecuencia de
generación de una máquina de inducción funcionando como generador
.
Tesis (Ingeniería Eléctrica)--Escuela Politécnica Nacional. Escuela de Ingeniería,
2006. Este proyecto se enfoca en el estudio de la variación del voltaje y la frecuencia del
generador de inducción al variar la velocidad, la carga y el capacitor de excitación; para
ello se realizó ensayos en el laboratorio y se desarrolló un programa computacional del
modelo matemático, con la finalidad de definir los objetivos mencionados y validar la
teoría expuesta.
2.2 BASES LEGALES
Para la ejecución de este trabajo de investigación, se tomaron como referencia una serie de
leyes y basamentos legales, que están ligados al tema en estudio y que podrán respaldar
legítimamente esta investigación. Estas leyes, tendrán que ser acatados por la ciudadanía
que guarden alguna relación con los mismos, en este caso nos referimos al ámbito laboral
para la realización de las actividades y la debida actuación ante algún basamento legal, así
mismo velaran por que estas se cumplan de la forma más adecuada y de conveniencia para
las partes interesadas.
LEY ORGÁNICA DE EDUCACIÓN
(18 de Agosto de 2009)
Título II
De los Principios y Estructura del Sistema
Capítulo III
De la Educación Básica
Artículo 21
Art. 21: La educación básica tiene como finalidad contribuir a la formación
integral del educando mediante el desarrollo de sus destrezas y de su capacidad
científica, técnica, humanística y artística; cumplir funciones de exploración y
de orientación educativa y vocacional e iniciarlos en el aprendizaje de
disciplinas y técnicas que le permitan el ejercicio de una función socialmente
útil; estimular el deseo de saber y desarrollar la capacidad de ser de cada
individuo de acuerdo con sus aptitudes. La educación básica tendrá una duración
no menor de nueve años. El Ministerio de Educación organizará en este nivel
cursos artesanales o de oficios que permitan la adecuada capacitación de los
alumnos.
Entre los jóvenes hay que promover el conocimiento en diversas áreas, para así lograr
que los adolescentes entrenen sus destrezas en el mejoramiento del estudio, formando una
juventud que pueda afrontar una sociedad que cada día desea adquirir más conocimientos
mediante el alcance de un aprendizaje eficiente y el mejoramiento de sus capacidades
intelectuales.
2.3 BASES TEÓRICAS
A continuación se expondrán los diferentes soportes teóricos que permitieron esclarecer el
objeto de estudio.
2.3.1 Conceptos básicos
2.3.1.1 Campo eléctrico
Propiedad del espacio alrededor de una carga eléctrica. Se le designa con la letra E y su
definición matemática es: E = Q / r2, siendo Q la cantidad de carga eléctrica de un cuerpo y
r, la distancia desde el cuerpo cargado al punto donde se mide el campo eléctrico. Otra
forma de escribir el campo eléctrico es: E = F / q siendo F la fuerza eléctrica entre la carga
Q (E sería el valor del campo que produce la carga Q) y la carga q que es llamada “carga
de prueba” que a una distancia r de Q siente una fuerza F.
2.3.1.2 Carga eléctrica
Propiedad de la materia que le permite interactuar con cuerpos que también la tengan.
Existen dos tipos: positiva y negativa. La menor cantidad de carga que existe libre en la
naturaleza es la del electrón y su unidad de medida en el sistema internacional es el
Coulomb. Un electrón tiene una carga eléctrica de magnitud 1,6 x 10-19 (C).
2.3.1.3 Corriente eléctrica
Flujo de electrones que viaja a través de una sustancia sólida, líquida o gaseosa.
2.3.1.4 Descarga eléctrica
Cuando un cuerpo electrizado neutraliza su carga, se dice que se descarga. Esto se puede
realizar a través de un buen conductor, como un alambre conectado a tierra, como a través
de un gas. El relámpago es el caso más conocido de una descarga eléctrica a través de un
gas (el aire). Para que se realice una descarga en un gas es necesario que las moléculas de
este sean iones (partículas cargadas).
2.3.1.5 Electrones
Partículas atómicas que contienen una carga negativa llamada unidad de carga
fundamental.
2.3.1.6 Fuerza eléctrica
Dos cargas se atraen si son de signo distinto y se repelen si son de igual signo, la fuerza
con que reacciona es llamada “fuerza de Coulomb” y su expresión matemática (medida por
primera vez por Charles Coulomb) es la siguiente: F = Kq1q2 / r2 donde K es una
constante cuyo valor es: 9x109 Nm2 / (C)2, tanto q1 como q2 son las cargas que
intervienen y r es la distancia que las separa.
2.3.1.7 Ionizar
Sacar electrones de átomos o moléculas, producir átomos o moléculas con exceso de carga.
2.3.1.8 Potencial eléctrico
Potencial en un punto del campo eléctrico es la razón entre el trabajo realizado para
trasladar una carga de prueba desde fuera del campo hasta ese punto y el valor de dicha
carga, esto se expresa: V = W / q. Otra definición es: la razón entre la carga que origina el
campo y la distancia que existe entre dicho punto y la carga, su expresión matemática es: V
= q / r.
2.3.2 Breve reseña histórica del Generador de Van Der Graf
Robert J. Van de Graaff diseñó en 1929 el generador eléctrico que llevaría su nombre en el
Instituto de Tecnología de Massachusetts con el fin de realizar experimentos en el campo
de la física nuclear. En estos experimentos se perseguía sacar conclusiones sobre los
núcleos de los átomos a partir de colisiones, para ello, era necesario acelerar partículas
cargadas, que tras alcanzar gran velocidad chocaban contra blancos fijos. En 1931 ya había
conseguido que dicho generador alcanzara diferencias de potencial de hasta 1 MV. Hoy día
nos encontramos con sistemas pelletron que pueden llegar a alcanzar voltajes de 25MV.
2.3.3 Generador de Van Der Graf
El generador de Van Der Graf 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. Las cargas son transportadas por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde
se comienzan a acumular.
Un generador de Van Der Graff 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. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier otro tipo de
batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar una diferencia de
potencial constante.
Un generador de Van Der Graff 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. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier otro tipo de
batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar una diferencia de
potencial constante.
2.3.4 Descripción de un Generador de Van Der Graf
Consta de:
1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior.
2.- Dos parales que sostienen la esfera
3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa
y el inferior movido por un motor conectado a su eje.
4.- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está
conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.
5.- Una correa transportadora de material aislante (látex).
6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante.
Fig. 1 – Partes de un Generador de Van Der Graf
2.3.5 Principio de funcionamiento de un Generador de Van Der Graf
La cinta de goma, estirada entre los dos rodillos, es conducida por un motor de velocidad
moderada. Hemos visto que, de estos dos rodillos, el superior es libre y el inferior ejerce la
función motriz. Según la serie triboeléctrica, por rozamiento se transmiten cargas negativas
del fieltro a la goma. Por lo tanto la cinta adquiere cargas negativas y la superficie del
rodillo cargas positivas. Si puntas metálicas agudas como las del electrodo de cepillo se
colocan cerca de la superficie de la cinta, a la altura del eje del rodillo inferior, se produce
un intenso campo eléctrico entre estas puntas y la superficie de dicho rodillo. Las
moléculas de aire en el espacio existente entre ambos elementos, se ionizan creando un
puente conductor por el que circulan las cargas negativas desde las puntas metálicas hacia
la cinta. Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie del rodillo, pero en medio del
camino se encuentra la cinta y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la
carga positiva del rodillo.
Pero la cinta se mueve hacia arriba, alejándose del rodillo inferior y llevando todos
los electrones hacia el rodillo libre superior, ubicado dentro de la cúpula en la cumbre de
la columna. De esta manera, el rodillo superior adquiere cargas negativas (que también
recibe por el efecto triboeléctrico entre la resina y la goma). Cuando más cargas negativas
llegan sobre la cinta, las mismas son repelidas y saltan la brecha aérea hasta el otro
electrodo tipo cepillo igualmente ubicado en el lugar. Este electrodo está conectado
directamente a la cúpula. Debido a que cargas semejantes se repelen y tratan de ponerse
tan lejos de sí como sea posible, las mismas son transportadas a la superficie exterior
de la cúpula (que es lo más lejano que pueden irse). Las cargas positivas que
recíprocamente son desalojadas de la cúpula, neutralizan las cargas negativas de la cinta y
parcialmente las del rodillo, resultando que las partes descendentes de la banda lo hace con
cargas positivas, cerrándose así el ciclo.
La banda continúa trayendo más carga al rodillo superior y desde allí a la cúpula,
aumentando su potencial. Este aumento en el potencial parará solamente cuando se llegue a
un equilibrio en el entorno.