Funcionamiento y uso del Van Der Graaff

Robert Jemison Van Der Graaff(Alabama,1911-1967)  inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar particulas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

El generador de Van Der Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

En su forma más simple consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

Funcionamiento:

Cuando se introduce un conductor cargado dentro de otro hueco y se ponen en contacto, toda la carga del primero pasa al segundo, cualquiera que sea la carga inicial del conductor hueco

Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga del conductor hueco indefinidamente. De hecho, existe un límite debido a las dificultades de aislamiento de la carga. Cuando se eleva el potencial, el aire que le rodea se hace conductor y se empieza a perder carga.

La diferencia entre la cubeta de Faraday y el generador de Van de Graaff, es que en la primera la carga se introduce de forma discreta mientras que en el segundo, se introduce en el conductor hueco de forma continua mediante una cinta transportadora.

Como hacer un generador Van Der Graaff


Materiales:
* Una lata vacía de soda 
* un pequeño clavo 
* Una liga (banda de goma) grande de 1 o 2 cm de ancho y de 6 a 10 cm de largo 
* Un fusible de unos 5×20 millimetros 
* Un pequeño motor de corriente contínua (de un juguete) 
* Un vaso de plastoform (o de papel parafinado) 
* Pegamento instantáneo 
* Dos cables de unos 15 cm de longitud 
* Dos piezas de tubo de tuberia plástica de 3/4 de pulgada PVC de 5 o 7 cm de longitud 
* Acople de 3/4 de PVC 
* Un conector T de 3/4 PVC 
* Cinta adhesiva 
* Un bloque de madera



Lo primero que hay que hacer es cortar una pieza de 5 a 7 centímetros de un tubo de 3/4 de pulgada de PVC y se lo encola a una base de madera. Esta pieza sujetará el generador y nos permitirá quitar con facilidad así como reemplazar a la banda de goma (liga) o hacer ajustes.  El conector T de PVC sujetará el pequeño motor. Para sujetar al motor es mejor envolver alrededor algo de cinta aislante. Se puede dejar el eje tal como está, pero es mejor ponerle algo de cinta aislante o un tubito de plástico para que actúe como polea para la banda de goma. Luego perforamos un agujero a un lado del conector T de PVC justo debajo de la polea del motor. Este agujero se usará para sujetar el “cepillo” inferior que es simplemente cable pelado en un extremo y que está casi tocando la banda de goma en la polea. Como se ve en la foto, el cable pelado se sujeta en si lugar con cinta adhesiva o pegamento. Se coloca la banda de goma en la polea y se deja que cuelgue del conector T.  Ahora, cortamos unos 8 a 10 cm de tubo de 3/4 de PVC. Este irá sobre el conector T, con la banda de goma en el interior. Usamos un clavito para sujetar la banda de goma. El largo del tubo debe ser de la misma longitud que la banda de goma. Esta no debe estar muy estirada porque la fricción evitará que el motor gire.  Cortamos el vaso de plastoform desde la base, dejando unos 2.5cm y cortamos un agujero del mismo diámetro que el tubo en la base y al medio. Introducimos el tubo PVC por este agujero.  Luego perforanos tres agujeros en el acople de PVC. Dos de estos tiene que estar en lugares opuestos porque sujetarán el clavito que actuará de eje para la banda de goma. El tercer agujero se encuentra entre los otros dos y sujetará el “cepillo” superior, el que, al igual que el de abajo se encuentra tan cerca que “casi” toca a la goma. El cepillo superior se sujeta al tubo de unión de PVC y el acople se pone en el tubo de 3/4 sobre el soporte de vaso de plastoform. La banda de goma se jala por el acople y se lo sostiene en su lugar con el clavo. Se pela el cable y se le da unas vueltas para que los alambritos no se separen mucho. El otro extremo del cable se sujeta dentro de la lata de soda para que esté electricamente conectado al “cepillo”.  Necesitamos un pequeño tubo de vidrio que funcione como polea de baja fricción y como complemento “triboeléctrico” de la banda de goma, ambos nos servirián para generar electricidad estática por fricción. El vidrio y la goma son muy buenos generadores de electricidad. El tubo se consigue de un fisible eléctyrico. Los extremos metálicos se quitan con un soldador.
 
El tubito de vidrio no tiene imperfecciones y no se romperá facilmente. El siguiente paso es un poco difícil: metemos el clavito por uno de los agujeros en el tubo, luego se introduce el tubito de vidrio, después la vbanda de goma que debe estar sobre el tubito de vidrio y finalmente metemos el clavito en el orificio del frente. La banda de goma debe girar sobre el tubito de vidrio y este girar sobre el clavito. Ahora encolamos la base del vasito en el tubo de PVC. Es mejor usar silicona caliente para que ayude a que esté estable. Ahora ya podemos usar una lata de soda, estas se usan porque no tienen esquinas, lo cual minimiza la “descarga de corona”. Con una cuchilla, corta un agujero en la base de la lata. Con el mismo borde del corte en la base, se hace sujetar el cable pelado del “cepillo” y se presiona la lata hasta que toque el vaso cortado. Finalmente, soldamos unos cables al motor para las pilas. Se pueden usar un par de pilas, o una batería de 9 voltios. Pero la batería hace girar demasiado rápido al motor y se rompe el tubo de vidrio, aunque el voltaje obtenido es más alto.

Posibles experimentos con el Van Der Graaff

Efecto de carga de pequeños cuerpos y posterior repulsión de los mismos.

Se cortan pequeños trozos de papel de aluminio los que son colocados cobre la esfera del generador, luego se le da marcha y se produce un efecto como de erupción de un volcán
Otra forma es colocando moldecitos de aluminio para tarteletas apilados, a medida que se van cargando de a uno se van despidiendo.
  Otro experimento sencillo y que causa impacto en los alumnos consiste en colocar un trozo de papel higiénico cortado en flecos pegado con unas cintas adhesivas.
  Una variante del experimento anterior consiste en cortar un mechón de pelos de unos 20 cm de largo, en el medio sujetarlo con un alambre rígido el es puesto en contacto con la esfera y pegado a la misma con cinta.


Viento iónico

Hay una forma muy sencilla de comprobar este fenómeno, 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 (inofensiva) es propicia para amenizar la clase. También si se esta en un lugar oscuro puede hacer parpadear los tobos fluorescentes por ionización del gas.



Descarga de chispas (rayos)
Este fenómeno conviene realizarlo en un ambiente algo oscuro ya que se visualizara además el plasma electrónico. Se toma con una pinza un objeto de bastante masa algo esférico, yo utilizo una manija de bronce antigua. Dependiendo de la diferencia de potencial (voltaje) que alcance el GVG al acercarlo podemos obtener chispas de 10 a 20 cm de largo, también hay que tener en cuenta que la humedad del ambiente influye, la pinza debe sujetarse fuertemente para no sentir algún cosquilleo   También se pueden logar chispas largas acercando un tubo fluorescente esto también ionizara el gas del tubo.