Construcción de un generador electrostático
De todos los posibles generadores electrostáticos de los que hemos podido encontrar información, nos hemos decidido por el "Generador de Van de Graaff".
Este generador es de fácil construcción y se consiguen generar tensiones bastante elevadas.
Introducción:
Robert Jemison Van de Graaff nació el 20 Diciembre de 1901 enTuscalosa, Alabama. Estudio en la universidad de Alabama donde se graduó como Ingeniero mecánico. Paso por las universidades de LaSorbonne y Oxfor ampliando sus conocimientos de física nuclear.
En 1929 diseño un primer generador electrostático consiguiendo voltajes de 80.000 V. Fue en 1931 cuando dió a conocer su invento con un nuevo modelo que lleva su nombre "Van de Graaff" con el que consiguió producir 1.000.000 V
Entre los años 1931 y 1933 construye un generador de gran tamaño con el que conseguiría 7.000.000 V
Principios de funcionamiento originarios:
Consiste en un terminal de alta tensión formado por una esfera metálica hueca montada en la parte superior de una columna de material aislante. Una correa de material dieléctrico se hace mover entre dos rodillos situados en la parte inferior y superior de la columna. Mediante una tensión elevada se emiten electrones en la parte inferior de la columna a través de un peine metálico a la correa, que los transporta a la parte superior de la columna , donde son retiradas por otro peine y llevadas a la parte exterior de la esfera. Este transporte de cargas hace que la esfera adquiera una diferencia de potencial muy elevada.
Planos:
Vista general
Soporte motor
Rodillo superior
Materiales utilizados:
Tubo de PVC 110mm de diámetro utilizado en fontanería para la evacuación de aguas residuales
Reducción 125 mm f a 110mm f del mismo material que el tubo anterior
Tapa de PVC para tubo de 125mmf
Tubo de cobre de fontanería de 8mmf
Varilla roscada Métrica 6
Rodamientos y soportes de impresoras desguazadas
Esfera metálica de las utilizadas en fontanería como vasos de expansión en calefacción y A.C.S.
Lamina de cobre
Motor síncrono de 220v 1500 r.p.m 0.23 A
Plancha de aluminio de 8mm de grosor
Correa de transporte de cargas de goma natural
Correa motor de una junta tórica
Poleas de aluminio
Rodillo inferior hecho con barra de Naylon recubierto de polietileno reticulado, utilizado para la conducción de agua
Rodillo superior hecho de aluminio
Construcción de:
Polea superior: Se trata de un cilindro de aluminio torneado en forma de barril para evitar que la correa se desplace. En sus extremos se cajeara el alojamiento de los rodamientos que montados sobre un eje harán que el cilindro gire loco.
Polea inferior: Se trata de un cilindro de naylon al que se forra con un trozo de tubo de polietileno reticulado. El eje esta fijo al rodillo y gira sobre los rodamientos puestos en las paredes laterales.
Esfera: Realizamos un corte en la boca de entrada que dispone y soldamos un aro de cobre recocido de 15mmf
Tubo de P.V.C. de la columna: Hacemos cortes en la parte superior para el alojamiento del rodillo superior que se mantendrá en su sitio debido a la tensión de la correa.
Correa de transporte de cargas: Se ha hecho de goma natural de la que podemos encontrar en las ferreterías, practicando un corte en esta de una anchura igual al rodillo superior (La goma disminuirá su anchura al ser estirada). Para unirla realizaremos cortes a 45º en los extremos y los uniremos con pegamento para parches.
Soporte del motor rodillo inferior: Se trata de dos planchas de metacrilato de unos 10mm de grosor a las que mecanizaremos a la par para que nos coincidan perfectamente los agujeros y cortes.
Separadores: Se trata de tubos de cobre que pondremos entre las planchas de metacrilato y atravesaremos con una varilla roscada. Con esto conseguiremos mantener paralelas las planchas de metacrilato.
Poleas de transmisión: Son de aluminio torneado de forma que multiplicamos por dos las revoluciones del motor . También podemos utilizar cualquier tipo de polea que tengamos a mano con tal de no reducir mucho las revoluciones.
Peines: El peine inferior se monta soldado a un tubo separador, Con esto conseguiremos acercar o separar el peine de la correa transportadora de cargas. El peine Superior utiliza un separador de cobre para asentarse sobre una banda de tubo de 110mmf al que aremos un corte para que pueda deslizarse por la columna del tubo, así conseguiremos acercar y separar con facilidad el peine a la correa transportadora de cargas.
Base de la columna: Realizamos cortes en la reducción de P.V.C. para que nos entre el soporte motor-rodillo y pueda asomar la polea del rodillo inferior.
Montaje de las piezas:
Se unirán según el plano descrito anteriormente y para poder montar y desmontar la columna y el soporte motor-rodillo utilizaremos tornillos y no pegamento. Para conseguir el perfecto alineamiento de la correa transportadora limaremos a los lados del asentamiento del cilindro superior. La esfera se apoya sobre la columna y no es necesario hacer ningún tipo de sujeción adicional.
Funcionamiento del generador montado:
Este generador es de los denominado autoexcitado, puesto que no es necesario el aporte de cargas desde el exterior para que inicie su funcionamiento.
El motor hace girar el rodillo inferior que al entrar en contacto con la correa de goma produce una separación de cargas (Efecto-triboeléctrico), el rodillo y la polea adquieren cargas iguales pero de signo contrario. Dependiendo de los materiales utilizados en la correa y el rodillo, así se adquirirán cargas positivas o negativas. ennuestro caso y siguiendo la escala triboelectrica, el cilindro adquiere carga negativa y la correa carga positiva.
La densidad de carga en el cilindro es ahora mucho mayor en el rodillo que en la correa ya que se extienden las cargas en la correa por una superficie mayor. Como el peine de púas metálicas están cerca del rodillo, se produce un intenso campo eléctrico . Esto hace que el aire se ionice, creando un puente conductor para el movimiento de cargas. Las cargas positivas son atraídas entonces por el rodillo pero, al pasar por la correa, muchas de ellas son atrapadas por esta y elevadas al rodillo superior, las cuales pasarán a través del peine superior a la superficie de la esfera . AL ser el rodillo superior de un material neutro (aluminio) no transportará cargas en su descenso. Si el rodillo superior fuera denaylon, la correa transportaría cargas en su descenso , cargando así la esfera tanto en la subida como en la bajada de la correa.
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Cálculos aproximados:
El campo producido por una superficie de una esfera conductora de radio R es:
E=Q/(4peoR2)
La capacidad de una esfera es:
C=4peoR
Como Q=C.V
Tenemos que :
E=(C.V)/(4peoR2 )
Como el generador dejará de acumular carga cuando el aire se vuelve conductor. Siendo la intensidad del campo eléctrico límite aproximadamente de 3 Mill v/m .tenemos:
3.106=(4peoR.V)/( 4peoR2 )=V/R de aquí despejando V queda:
V=3.106 .R para nuestra esfera el radio R=19cm
Sustituimos en la fórmula anterior
V=3.106 v/m.0.19m = 570.000 Voltios
Estos cálculos son aproximados puesto que: La esfera no es completa, la columna soporte y la propia correa no tienen resistencia infinita y se producen perdidas en los bordes de la esfera (efecto corona).