Generador de Van de Graaff: partes, cómo funciona, aplicaciones
El generador de Van de Graaff es un artefacto que funciona gracias a los fenómenos electrostáticos, y cuya función consiste en reproducir enormes potenciales eléctricos, en el orden de los megaelectronvoltios (MeV), para acelerar las partículas subatómicas. Tales potenciales se concentran en sus partes superiores, donde reposan unas características esferas metálicas y huecas.
Fue inventado en 1929 por el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff, construyéndose modelos de distintos tamaños y capacidades eléctricas. Uno de los más grandes, creado en 1933 y observado en la imagen inferior, es capaz de alcanzar un potencial eléctrico de 5MeV; cinco veces menor de lo que actualmente se puede conseguir (25.5MeV).
Es tanto el potencial del generador de Van de Graaff, que en el aire que rodea sus esferas metálicas se producen descargas eléctricas. Estas descargas son producto del desbalanceo de las cargas eléctricas, pues las esferas adquieren cargas eléctricas muy negativas o muy positivas; todo dependiendo de los materiales y de sus diseños.
Este artefacto es bastante popular en la docencia de física y electricidad. Esto se debe porque los voluntarios, al tocar las esferas o los domos metálicos de los generadores pequeños, experimentan un levantamiento involuntario de sus cabellos, lo cual recuerda a una electrocución.
Índice del artículo
- 1 Partes del generador de Van de Graaff
- 2 ¿Cómo funciona un generador de Van de Graaff?
- 3 Aplicaciones
- 4 Referencias
En la imagen superior tenemos las partes convencionales para un generador de Van de Graaff. Posee una armazón vertical rematada por una esfera hueca o domo de metal (1). En su interior, tenemos una banda o cinturón (4 y 5) hecho de material polimérico y aislante, tales como el tubo quirúrgico.
Este cinturón se desplaza constantemente entre dos rodillos: uno superior (3), y otro inferior (6). Asimismo, cada rodillo tiene anexado un cepillo metálico (2 y 7) que roza la superficie del cinturón. El movimiento del cinturón se activa mediante un motor eléctrico conectado a la base del generador.
Tal como se aprecia en la imagen, la esfera del generador se carga positivamente (+). Por lo tanto, necesita de electrones para surtir el desbalanceo eléctrico. Es aquí donde los electrones (-) que abandonan el generador terminan cargando negativamente un dispositivo metálico cercano (8); para finalmente, producirse una descarga eléctrica (9) en dirección al domo metálico.
La descarga eléctrica puede suceder ya sea en dirección al domo, o en dirección del dispositivo; esto último ocurre cuando es el domo el que está cargado negativamente.
El generador de Van de Graaff puede cargarse positiva o negativamente. El símbolo de la carga dependerá de la naturaleza triboeléctrica de los materiales con que estén hechos el cinturón y el recubrimiento del rodillo inferior.
Por ejemplo, si el rodillo inferior está recubierto de nylon, pero siendo el cinturón de caucho, entonces se deberá chequear la serie triboeléctrica para saber qué material recibirá y cuál donará los electrones una vez se pongan en contacto.
Así, el nylon por ser más positivo, es decir, por encontrarse más arriba en la serie triboeléctrica que el caucho, entonces perderá electrones mientras que el caucho los ganará. Por lo tanto, el cinturón terminará desplazando o movilizando cargas negativas cuando se encienda el motor del generador.
Mientras, si el rodillo inferior está recubierto de silicón, ocurrirá lo contrario: el cinturón perderá electrones, ya que el silicón es más negativo que el caucho en la serie triboeléctrica. Y en consecuencia, el cinturón desplazará o movilizará cargas positivas (tal como en la imagen ya descrita).
La triboelectricidad es solo uno de los tantos fenómenos eléctricos (efectos corona y fotoeléctrico, la cubeta de hielo de Faraday, campos eléctricos, etc.) que tienen lugar en el generador de Van de Graaff. Pero el punto central es que puede desplazar, movilizar o “bombear” cargas eléctricas hacia el domo metálico.
Una vez el rodillo inferior se cargue negativamente tras accionarse el motor, y el cinturón positivamente, los electrones del rodillo comienzan a repeler a los de la cara externa del cinturón. Estos electrones migran, a través del aire, hacia el cepillo inferior, por donde serán conducidos hacia la tierra u otro dispositivo.
El cinturón con carga positiva llega hasta el rodillo superior, el cual tiene una naturaleza triboeléctrica opuesta al rodillo inferior; es decir, en lugar de cargarse negativamente, debe perder electrones y, por consiguiente, cargarse también positivamente. Así, la carga positiva se desplaza hacia el rodillo superior y, finalmente, hacia el cepillo superior en contacto directo con el domo metálico.
Los electrones del cepillo superior se transportan hacia el rodillo para neutralizar las cargas. Pero estos electrones provienen de la superficie del domo metálico. Por lo tanto, el domo también adquiere una carga positiva.
El domo, de acuerdo a sus dimensiones, alcanzará un potencial máximo. Luego de eso, debe balancearse las cargas eléctricas. Al ser muy positivo, recibirá electrones de una fuente cargada muy negativamente: el dispositivo que recibe los electrones del cepillo inferior. Así, se produce una descarga eléctrica (chispa) desde el dispositivo (negativo) hacia el domo metálico (positivo).
Mientras mayores sean los potenciales eléctricos alcanzados, proporcionales a las dimensiones del generador, más intensas serán las descargas eléctricas reproducidas. Nótese que, si no fueran tan grandes, los electrones no podrían viajar a través del aire, un medio dieléctrico no conductor.
Si la esfera metálica está cargada positivamente, y alguien la toca, sus cabellos se terminarán cargando también positivamente. Cargas iguales se repelen, y por lo tanto, los cabellos se erizarán y se separarán entre sí. Este fenómeno se utiliza para fines educativos en los cursos donde se introduce la electrostática.
Así, los generadores de Van de Graaff de tamaños pequeños se utilizan para captar la atención de los observadores en lo que respecta al erizamiento de sus cabellos; o en la contemplación de las descargas eléctricas, réplicas fieles de las que vemos en las películas de ciencia ficción.
Cuando el domo concentra muchas cargas eléctricas, se genera un potencial que es capaz de acelerar partículas subatómicas. Con esta finalidad se utiliza el generador de Van de Graaff para reproducir rayos X en estudios medicinales y en física nuclear.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. (2005). Física para ciencias e ingeniería. Volumen 2. Séptima edición. Editorial Cengage Learning.
- Wikipedia. (2020). Van de Graaff generator. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Magnet Academy. (17 de junio de 2019). Van de Graaff generator. Recuperado de: nationalmaglab.org
- Seattle University. (2020). Electrostatics – Aluminum Bowls with Van de Graaff Generator. Recuperado de: seattleu.edu
- John Zavisa. (01 de abril de 2000). How Van de Graaff Generators Work. Recuperado de: science.howstuffworks.com