Un generador de Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una correa en movimiento para acumular carga eléctrica en un globo metálico hueco en la parte superior de una columna aislada, creando potenciales eléctricos muy altos . Produce electricidad de corriente continua (CC) de muy alto voltaje a bajos niveles de corriente. Fue inventado por el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff en 1929. [1] La diferencia de potenciallograda por los generadores modernos de Van de Graaff puede llegar a 5 megavoltios. Una versión de sobremesa puede producir del orden de 100.000 voltios y puede almacenar suficiente energía para producir una chispa visible. Las pequeñas máquinas Van de Graaff se producen para el entretenimiento y para la educación física para enseñar electrostática ; los más grandes se exhiben en algunos museos de ciencia .
Usos | Acelerar electrones para esterilizar alimentos y procesar materiales, acelerar protones para experimentos de física nuclear , producir rayos X energéticos en medicina nuclear , educación física, entretenimiento |
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Inventor | Robert J. Van de Graaff |
Artículos relacionados | acelerador de partículas lineal |
El generador de Van de Graaff se desarrolló como un acelerador de partículas para la investigación física; su alto potencial se utiliza para acelerar partículas subatómicas a grandes velocidades en un tubo de vacío. Fue el tipo de acelerador más poderoso de la década de 1930 hasta que se desarrolló el ciclotrón . Los generadores Van de Graaff todavía se utilizan como aceleradores para generar partículas energéticas y haces de rayos X para la investigación nuclear y la medicina nuclear .
Los aceleradores de Van de Graaff de haz de partículas se utilizan a menudo en una configuración " tándem ": primero, los iones cargados negativamente se inyectan en un extremo hacia el terminal de alto potencial, donde se aceleran mediante una fuerza de atracción hacia el terminal. Cuando las partículas llegan a la terminal, se les quitan algunos electrones para cargarlas positivamente y posteriormente son aceleradas por fuerzas repulsivas que se alejan de la terminal. Esta configuración da como resultado dos aceleraciones por el costo de un generador Van de Graaff, y tiene la ventaja adicional de dejar la complicada instrumentación de la fuente de iones accesible cerca del potencial terrestre.
El voltaje producido por una máquina Van de Graaff al aire libre está limitado por el arco y la descarga de corona a aproximadamente 5 megavoltios. La mayoría de las máquinas industriales modernas están encerradas en un tanque presurizado de gas aislante; estos pueden alcanzar potenciales de hasta unos 25 megavoltios.
Descripción
Un generador de Van de Graaff simple consiste en una correa de caucho (o un material dieléctrico flexible similar ) que se mueve sobre dos rodillos de material diferente, uno de los cuales está rodeado por una esfera metálica hueca. Dos electrodos , (2) y (7), en forma de hileras en forma de peine de puntas metálicas afiladas, se colocan cerca de la parte inferior del rodillo inferior y dentro de la esfera, sobre el rodillo superior. El peine (2) está conectado a la esfera y el peine (7) a tierra. El método de carga se basa en el efecto triboeléctrico , de manera que el simple contacto de materiales diferentes provoca la transferencia de algunos electrones de un material a otro. Por ejemplo (vea el diagrama), la goma de la correa se cargará negativamente mientras que el vidrio acrílico del rodillo superior se cargará positivamente. La banda transporta la carga negativa en su superficie interior mientras que el rodillo superior acumula carga positiva. A continuación, el fuerte campo eléctrico que rodea al rodillo superior positivo (3) induce un campo eléctrico muy alto cerca de las puntas del peine cercano (2). En los puntos, el campo se vuelve lo suficientemente fuerte como para ionizar las moléculas de aire, y los electrones son atraídos hacia el exterior del cinturón mientras que los iones positivos van al peine. En el peine (2) son neutralizados por electrones que estaban en el peine, dejando así el peine y la capa exterior adjunta (1) con menos electrones netos. Según el principio ilustrado en el experimento del cubo de hielo de Faraday , es decir, según la ley de Gauss , el exceso de carga positiva se acumula en la superficie exterior de la capa exterior (1), sin dejar ningún campo dentro de la capa. La inducción electrostática mediante este método continúa, acumulando grandes cantidades de carga en la carcasa.
En el ejemplo, el rodillo inferior (6) es de metal, que recoge la carga negativa de la superficie interior de la correa. El peine inferior (7) desarrolla un alto campo eléctrico en sus puntos que también se vuelve lo suficientemente grande como para ionizar las moléculas de aire. En este caso, los electrones son atraídos por el peine y los iones de aire positivos neutralizan la carga negativa en la superficie exterior del cinturón o se adhieren al cinturón. El equilibrio exacto de cargas en los lados ascendente y descendente de la banda dependerá de la combinación de los materiales utilizados. En el ejemplo, la banda que se mueve hacia arriba debe ser más positiva que la banda que se mueve hacia abajo. A medida que la correa continúa moviéndose, una "corriente de carga" constante viaja a través de la correa y la esfera continúa acumulando carga positiva hasta que la tasa de pérdida de carga (a través de fugas y descargas de corona ) es igual a la corriente de carga. Cuanto más grande sea la esfera y cuanto más lejos esté del suelo, mayor será su potencial máximo. En el ejemplo, la varilla con esfera metálica (8) está conectada a tierra, al igual que el peine inferior (7); los electrones se extraen del suelo debido a la atracción de la esfera positiva, y cuando el campo eléctrico es lo suficientemente grande (ver más abajo), el aire se rompe en forma de una chispa de descarga eléctrica (9). Dado que se puede seleccionar el material de la correa y los rodillos, la carga acumulada en la esfera metálica hueca puede hacerse positiva (deficiencia de electrones) o negativa (electrones en exceso).
El tipo de generador de fricción descrito anteriormente es más fácil de construir para ferias de ciencias o proyectos caseros, ya que no requiere una fuente de alto voltaje. Se pueden obtener mayores potenciales con diseños alternativos (no discutidos aquí) para los cuales se utilizan fuentes de alto voltaje en las posiciones superior y / o inferior de la correa para transferir la carga de manera más eficiente dentro y fuera de la correa.
Una terminal de generador Van de Graaff no necesita tener forma de esfera para funcionar y, de hecho, la forma óptima es una esfera con una curva hacia adentro alrededor del orificio por donde entra la correa. Un terminal redondeado minimiza el campo eléctrico a su alrededor, lo que permite lograr mayores potenciales sin ionización del aire u otro gas dieléctrico circundante. Fuera de la esfera, el campo eléctrico se vuelve muy fuerte y el campo pronto evitará la aplicación de cargas directamente desde el exterior. Dado que los conductores cargados eléctricamente no tienen ningún campo eléctrico en el interior, las cargas se pueden agregar continuamente desde el interior sin aumentarlas al potencial total de la capa exterior. Dado que un generador de Van de Graaff puede suministrar la misma pequeña corriente a casi cualquier nivel de potencial eléctrico, es un ejemplo de una fuente de corriente casi ideal .
El potencial máximo alcanzable es aproximadamente igual al radio de la esfera R multiplicado por el campo eléctrico E max en el que las descargas de corona comienzan a formarse dentro del gas circundante. Para aire a temperatura y presión estándar ( STP ), el campo de ruptura es de aproximadamente 30 kV / cm. Por lo tanto, podría esperarse que un electrodo esférico pulido de 30 cm de diámetro desarrolle un voltaje máximo V max = R · E max de aproximadamente 450 kV. Esto explica por qué los generadores Van de Graaff a menudo se fabrican con el mayor diámetro posible.
Historia
El concepto de generador electrostático en el que la carga se transporta mecánicamente en pequeñas cantidades al interior de un electrodo de alto voltaje se originó con el gotero de agua Kelvin , inventado en 1867 por William Thomson (Lord Kelvin), [2] en el que gotas cargadas de el agua cae en un balde con la misma carga de polaridad, aumentando la carga. [3] En una máquina de este tipo, la fuerza gravitacional mueve las gotas contra el campo electrostático opuesto del cubo. El propio Kelvin sugirió primero usar un cinturón para llevar la carga en lugar de agua. La primera máquina electrostática que utilizó una correa sin fin para transportar carga fue construida en 1872 por Augusto Righi . [1] [3] Utilizaba una correa de caucho india con anillos de alambre a lo largo de su longitud como portadores de carga, que pasaban a un electrodo metálico esférico. La carga se aplicó a la correa desde el rodillo inferior conectado a tierra por inducción electrostática usando una placa cargada. John Gray también inventó una máquina de correa alrededor de 1890. [3] Otra máquina de correa más complicada fue inventada durante 1903 por Juan Burboa [1] [4] Una inspiración más inmediata para Van de Graaff fue un generador que WFG Swann estaba desarrollando durante la década de 1920 en cuya carga fue transportada a un electrodo por la caída de bolas de metal, volviendo así al principio del gotero de agua Kelvin. [1] [5]
La razón por la que la carga extraída del cinturón se mueve hacia el exterior del electrodo de esfera, aunque ya tiene una carga alta de la misma polaridad, se explica por el experimento del cubo de hielo de Faraday . [6]
El generador Van de Graaff fue desarrollado, a partir de 1929, por el físico Robert J. Van de Graaff en la Universidad de Princeton con una beca, con la ayuda de su colega Nicholas Burke. El primer modelo se demostró en octubre de 1929. [ cita requerida ] [7] La primera máquina usaba una lata ordinaria, un motor pequeño y una cinta de seda comprada en una tienda de cinco y diez centavos . Después de eso, fue al presidente del departamento de física solicitando $ 100 para hacer una versión mejorada. Consiguió el dinero, con cierta dificultad. En 1931, pudo informar que alcanzó 1,5 millones de voltios, diciendo "La máquina es simple, económica y portátil. Un portalámparas ordinario proporciona la única energía necesaria". [8] [9] Según una solicitud de patente, tenía dos esferas de acumulación de carga de 60 cm de diámetro montadas sobre columnas de vidrio de borosilicato de 180 cm de altura; el aparato costó solo $ 90 durante 1931. [10] [Se necesita cita completa ]
Van de Graaff solicitó una segunda patente durante diciembre de 1931, que fue asignada al Instituto de Tecnología de Massachusetts a cambio de una parte de los ingresos netos; más tarde se concedió la patente. [ cita requerida ]
Durante 1933, Van de Graaff construyó un modelo de 40 pies (12 m) en las instalaciones de Round Hill del MIT , cuyo uso fue donado por el coronel Edward HR Green . [ cita requerida ]
Uno de los aceleradores de Van de Graaff usó dos domos cargados de tamaño suficiente para que cada uno de los domos tuviera laboratorios en su interior: uno para proporcionar la fuente del rayo acelerado y el otro para analizar el experimento real. La energía para el equipo dentro de las cúpulas provenía de generadores que funcionaban con el cinturón, y varias sesiones llegaron a un final bastante espantoso cuando una paloma intentó volar entre las dos cúpulas, provocando que se descargaran. (El acelerador se puso en el hangar de un avión). [ Cita requerida ]
Durante 1937, la compañía Westinghouse Electric construyó una máquina de 20 m (65 pies), la Westinghouse Atom Smasher, capaz de generar 5 MeV en Forest Hills, Pensilvania . Marcó el comienzo de la investigación nuclear para aplicaciones civiles. [11] [12] Fue desmantelado en 1958 y demolido en 2015. [13]
Un desarrollo más reciente es el acelerador en tándem Van de Graaff, que contiene uno o más generadores Van de Graaff, en el que los iones cargados negativamente se aceleran a través de una diferencia de potencial antes de ser despojados de dos o más electrones, dentro de una terminal de alto voltaje, y acelerados. de nuevo. Un ejemplo de una operación de tres etapas se construyó en el Laboratorio Nuclear de Oxford durante 1964 de un "inyector" de un solo extremo de 10 MV y un tándem EN de 6 MV. [14] [ página necesaria ]
Para la década de 1970, se podían alcanzar hasta 14 millones de voltios en la terminal de un tándem que usaba un tanque de gas hexafluoruro de azufre (SF 6 ) a alta presión para evitar chispas al atrapar electrones. Esto permitió la generación de haces de iones pesados de varias decenas de megaelectronvoltios, suficientes para estudiar reacciones nucleares directas de iones ligeros. El mayor potencial sostenido por un acelerador Van de Graaff es de 25,5 MV, alcanzado por el tándem en la instalación de haz de iones radiactivos de Holifield en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [15]
Un desarrollo adicional es el pelletron , donde el cinturón de caucho o tela se reemplaza por una cadena de varillas conductoras cortas conectadas por eslabones aislantes, y los electrodos de ionización de aire se reemplazan por un rodillo conectado a tierra y un electrodo de carga inductiva. La cadena puede funcionar a una velocidad mucho mayor que una correa, y tanto el voltaje como las corrientes alcanzables son mucho mayores que con un generador Van de Graaff convencional. El Acelerador de iones pesados de 14 UD de la Universidad Nacional de Australia alberga un pelletrón de 15 millones de voltios. Sus cadenas tienen más de 20 metros de largo y pueden viajar a más de 50 kilómetros por hora (31 mph). [dieciséis]
La Instalación de Estructura Nuclear (NSF) en el Laboratorio de Daresbury se propuso durante la década de 1970, se puso en marcha en 1981 y se abrió para experimentos en 1983. Consistía en un generador Van de Graaff en tándem que funcionaba habitualmente a 20 MV, alojado en un edificio distintivo de 70 m de altura. . Durante su vida, aceleró 80 haces de iones diferentes para uso experimental, desde protones hasta uranio. Una característica particular fue la capacidad de acelerar raros rayos isotópicos y radiactivos. Quizás el descubrimiento más importante realizado con el NSF fue el de los núcleos superdeformados. Estos núcleos, cuando se forman a partir de la fusión de elementos más ligeros, giran muy rápidamente. El patrón de rayos gamma emitidos a medida que disminuyen proporcionó información detallada sobre la estructura interna del núcleo. Tras los recortes financieros, la NSF cerró en 1993. [17] [ verificación necesaria ]
Generadores de entretenimiento y educación
El generador Van de Graaff con aislamiento de aire más grande del mundo, construido por el Dr. Van de Graaff durante la década de 1930, ahora se exhibe permanentemente en el Museo de Ciencias de Boston . Con dos esferas de aluminio unidas de 4,5 m (15 pies) colocadas sobre columnas de 22 pies (6,7 m) de altura, este generador a menudo puede obtener 2 MV (2 millones de voltios ). Los espectáculos que utilizan el generador Van de Graaff y varias bobinas de Tesla se realizan dos o tres veces al día. Muchos museos de ciencia, como el Museo Americano de Ciencia y Energía , exhiben generadores Van de Graaff a pequeña escala y explotan sus cualidades de producción de estática para crear "relámpagos" o hacer que la gente se ponga de pie. Los generadores Van de Graaff también se utilizan en escuelas y exposiciones científicas.
Comparación con otros generadores electrostáticos
Otras máquinas electrostáticas como la máquina Wimshurst o la máquina Bonetti funcionan de manera similar a la Van De Graaff; la carga se transporta mediante placas, discos o cilindros en movimiento hasta un electrodo de alto voltaje. Sin embargo, para estos generadores, la descarga de corona de las partes metálicas expuestas a potenciales altos y un aislamiento más pobre dan como resultado voltajes más pequeños. En un generador electrostático, la tasa de carga transportada ( corriente ) al electrodo de alto voltaje es muy pequeña. Después de que se enciende la máquina, el voltaje en el electrodo terminal aumenta hasta que la corriente de fuga del electrodo es igual a la velocidad de transporte de carga. Por lo tanto, la fuga del terminal determina el voltaje máximo alcanzable. En el generador Van de Graaff, la correa permite el transporte de carga al interior de un gran electrodo esférico hueco. Esta es la forma ideal para minimizar las fugas y la descarga de corona, por lo que el generador Van de Graaff puede producir el mayor voltaje. Por eso, el diseño de Van de Graaff se ha utilizado para todos los aceleradores de partículas electrostáticos. En general, cuanto mayor es el diámetro y más lisa es la esfera, mayor es el voltaje que se puede lograr. [18] [ verificación necesaria ] [ mejor fuente necesaria ]
Patentes
- Patente de Estados Unidos 1.991.236 - " Generador electrostático "
- Patente de EE.UU. 2.922.905 - " Aparato para reducir la carga de electrones en aceleradores de iones positivos "
Ver también
- Robert J. Van de Graaff
- Inducción electrostática : propagación de la carga eléctrica debido a la presencia de otras cargas.
- Levitación electrostática
- Jaula de Faraday
- Efecto triboeléctrico
- Alto voltaje : potencial eléctrico lo suficientemente grande como para causar daños o lesiones.
- Destructor de átomos Westinghouse
- Bobina de Tesla : circuito de transformador resonante eléctrico inventado por Nikola Tesla
- Bobina de Oudin
Referencias
- ^ a b c d Van de Graaff, RJ; Compton, KT; Van Atta, LC (febrero de 1933). "La producción electrostática de alto voltaje para investigaciones nucleares" (PDF) . Revisión física . 43 (3): 149-157. Código Bibliográfico : 1933PhRv ... 43..149V . doi : 10.1103 / PhysRev.43.149 . Consultado el 31 de agosto de 2015 .
- ^ Thomson, William (noviembre de 1867). "Sobre un aparato autoactivo para multiplicar y mantener cargas eléctricas, con aplicaciones a la Teoría Voltaica" . The London, Edinburgh y Dublin Philosophical Magazine y Journal of Science . Serie 4. 34 (231): 391–396 . Consultado el 1 de septiembre de 2015 .
- ^ a b c Gray, John (1890). Máquinas de influencia eléctrica . Londres: Whittaker and Co. págs. 187-190.
- ^ Patente de EE. UU. No. 776997, Máquina eléctrica estática Juan GH Burboa , interpuesto: 13 de agosto de 1903, concedido: 6 de diciembre de 1904
- ^ Swann, WFG (1928). "Un dispositivo para obtener altos potenciales". Revista del Instituto Franklin . 205 : 828.
- ^ Young, Hugh D .; Freedman, Roger A. (2012). Física Universitaria, 13ª Ed . Pearson Education, Inc. págs. 742–743. ISBN 978-0321696861.
- ^ "El Instituto de Química - La Universidad Hebrea de Jerusalén" . Archivado desde el original el 4 de septiembre de 2006 . Consultado el 31 de agosto de 2006 .
- ^ van de Graaff, RJ (15 de noviembre de 1931). "Acta de la reunión de Schenectady 10, 11 y 12 de septiembre de 1931: Un generador electrostático de 1.500.000 voltios". Revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 38 (10): 1919-1920. doi : 10.1103 / physrev.38.1915 . ISSN 0031-899X .
- ^ Tiempos de Niels Bohr , Abraham Pais, Oxford University Press, 1991, págs. 378-379
- ^ "Generador de Van de Graaff", en "Manual de ingeniería eléctrica", (ed)., CRC Press, Boca Raton, Florida USA, 1993 ISBN 0-8493-0185-8
- ^ Toker, Franklin (2009). Pittsburgh: un nuevo retrato . pag. 470. ISBN 9780822943716.
- ^ "Acelerador de partículas Van de Graaff, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Pittsburgh, PA, 7 de agosto de 1945" . Explore la historia de PA . WITF-TV . Consultado el 19 de febrero de 2015 .
- ^ O'Neill, Brian (25 de enero de 2015). "Brian O'Neill: con la caída del destructor de átomos de Forest Hills, parte de la historia cae" . Pittsburgh Post-Gazette .
- ^ J. Takacs, Estabilización de energía de aceleradores electrostáticos , John Wiley and Sons, Chichester, 1996
- ^ "American Physical Society nombra el sitio de física histórico de Holifield Facility de ORNL" . Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
- ^ "Acelerador de partículas" .
- ^ JS Lilley 1982 Phys. Scr. 25 435-442 doi : 10.1088 / 0031-8949 / 25/3/001 )
- ^ "La máquina electrostática Bonetti" . www.coe.ufrj.br . Consultado el 14 de septiembre de 2010 .
enlaces externos
- Una descripción de howstuffworks.com sobre cómo construir su propio generador
- Tutorial interactivo de Java - Laboratorio nacional de alto campo magnético del generador Van de Graaff
- La instalación del acelerador Van de Graaff Western Michigan University
- La enorme máquina del Dr. Van de Graaff en el Museo de Ciencias
- Preguntas frecuentes sobre el generador Van de Graaff
- Ilustración del informe sobre el generador Van de Graaff del "Informe de progreso del generador de alto voltaje del MIT en Round Hill"
- Nikola Tesla , " Posibilidades de los generadores electrostáticos DOC ". Scientific American, marzo de 1934. (formato .doc)
- Paolo Brenni, The Van de Graaff Generator: una máquina electrostática para el boletín del siglo XX de la Scientific Instrument Society No. 63 (1999)
- Charrier Jacques " Le générateur de Van de Graaff ". Faculté des Sciences de Nantes.
- Hellborg, Ragnar, ed. Aceleradores electrostáticos: fundamentos y aplicaciones [NY, NY: Springer, 2005]. Disponible en línea en: https://books.google.com/books?id=tc6CEuIV1jEC&pg=PA51&lpg=PA51&dq=electrostatic+accelerator+book&source=web&ots=Qa0DbmiZJt&sig=bLoYaz_VUpBr7-Wv4lk_f1PBnUo4,
- La Sociedad Estadounidense de Física nombra el sitio histórico de física de Holifield Facility de ORNL