Como generador funcional Van De Graaff
Lo que me atrae particularmente de Van de Graaff (o VDG) es que es una combinación de algunos principios científicos discretos y algo de flujo producido mecánicamente, lo que lo convierte en un estudio interesante. Por ejemplo, ¿sabía que su voltaje está limitado principalmente por el diámetro y la curvatura de la cúpula? Es por eso que una computadora portátil es segura, pero desea evitar que lo golpee una con una cúpula de 15 ″ de diámetro. A continuación, se realiza un recorrido por el funcionamiento de este interesante generador de alta tensión.
El panorama
Repuestos para generadores Van de Graaff 
Las partes inferiores 
Las partes superiores
El panorama general en términos de cómo funciona el generador de Van de Graaff es que todo funciona como una bomba electromecánica para la carga eléctrica. La superficie exterior de la cinta se carga en la parte inferior, un lado de la cinta se mueve hacia arriba, llevando la carga consigo, donde se retira desde arriba y se deposita en la superficie exterior de la cúpula.
Antes de analizar áreas específicas, aquí hay un vistazo rápido a ellas en general. Hay un rollo en la parte inferior y otro en la parte superior, ambos sujetos por un cilindro hecho de material no conductor de electricidad. Una correa se envuelve alrededor de estos compactadores de rodillos con un motor para hacer girar el rodillo inferior, mover la correa y, a su vez, también hacer girar el rodillo superior. La cúpula encierra todo el mecanismo en la parte superior, en este caso asentado sobre un anillo. En la imagen de arriba, la cúpula se ha eliminado y se muestra al revés, por lo que puede ver la apertura en su parte inferior.
Muy cerca del cinturón en el rollo inferior, pero sin tocarlo, hay un cepillo de metal con puntas afiladas orientadas hacia el cinturón. Este cepillo generalmente está conectado a tierra, aunque podría ir a una segunda cúpula, como puede ver en la camioneta portátil de Graaff en la imagen de arriba. Del mismo modo, cerca del rodillo superior hay otro cepillo con puntas afiladas cerca del cinturón pero que no se tocan. Este cepillo se conecta a la cúpula por contacto con una placa de metal que sobresale ligeramente y desciende hasta el anillo sobre el que se asienta la cúpula.
Ahora veamos las diferentes áreas y efectos eléctricos, comenzando desde abajo.
El rodillo inferior y el cinturón
Carga triboeléctrica
Una cosa clave sobre la parte inferior es que a medida que el rodillo gira, la superficie exterior del rodillo entra en contacto continuamente con la superficie interior de la banda. También son importantes los materiales con los que están hechas estas superficies. En conjunto, esto provoca el efecto triboeléctrico.
El efecto triboeléctrico es el mismo que te da carga cuando frotas tus calcetines contra una alfombra, siempre que los calcetines y la alfombra sean la mezcla correcta de materiales. A nivel molecular, esta fricción significa que el contacto entre moléculas se hace y se rompe repetidamente. Cuando se hace contacto, los electrones se mueven de uno a otro y cuando se rompe el contacto, los electrones permanecen en ese lado. Esto deja un material cargado positivamente y el otro cargado negativamente.
La serie triboeléctrica es una lista de materiales con las cosas que están cargadas negativamente en un extremo de la lista y las que están cargadas positivamente en el otro extremo de la lista. Cuanto más lejos del centro de la lista, más cargado estará el material. En este generador de Van de Graaff, la superficie exterior del rodillo inferior es de teflón, que está cerca del extremo negativo. El cinturón es de goma, que está en la dirección del extremo positivo en relación con el teflón.
Y así, con la constante creación y ruptura del contacto en la parte inferior del Van de Graaff, la superficie del rodillo se carga negativamente mientras que la superficie interna de la correa está cargada positivamente, pero menos porque tiene un área de superficie mucho más grande que el rodillo.
El cinturón y el cepillo inferior
Cargar el cepillo inferior y la correa
Pero eso no es suficiente. Necesitamos cargar la superficie exterior del cinturón. Ahí es donde entra el cepillo inferior. La carga negativa del rodillo repele los electrones de las puntas afiladas del cepillo, volviéndolos positivos. Siempre que tenga un objeto cargado con puntas afiladas, la carga estará más apretada en las puntas. El resultado final es un fuerte campo eléctrico cerca de los puntos.
Este fuerte campo ioniza el aire al arrancar los electrones de los átomos en el aire, lo que da como resultado una corona azulada entre el cinturón y los puntos. Esta corona es un área de aire conductor de electricidad, llena de iones y electrones libres. Los electrones son repelidos desde la superficie exterior del cinturón y atraídos por el cepillo, donde son repelidos aún más hacia la tierra. Esto deja la superficie exterior del cinturón cargada positivamente.
Y a medida que la banda se mueve, esa carga positiva se lleva al rodillo superior.
El rodillo superior y la correa
Cargar el rodillo superior y tomar el control del cepillo
El rodillo superior es de metal o está hecho de un material que está en el extremo opuesto de la serie triboeléctrica que el del rodillo inferior. En este Van de Graaff en particular, el rodillo superior es metálico. De cualquier manera, el resultado final es el mismo.
Debido a que tanto la superficie exterior como la interior de la banda están cargadas positivamente, los electrones provienen del rodillo de metal para tratar de neutralizarlos, dejando el rodillo con una carga positiva aumentada y la superficie interior de la banda en ruta hacia abajo con un neutro. acusación.
El mismo comportamiento entre el cinturón y el cepillo de abajo ocurre en la parte superior, solo con cargas opuestas. Se forma una corona en el espacio entre la superficie del cinturón y las puntas afiladas del cepillo y los electrones se extraen del cepillo a la superficie del cinturón, neutralizando la superficie exterior del cinturón. ¿De dónde provienen esos electrones?
Cargando el domo
El cepillo en contacto con la cúpula 
Cargando la cúpula
Estos electrones provienen de la superficie exterior de la cúpula. Tenga en cuenta que el cepillo superior está conectado a una placa de metal que se extiende a lo largo del lado del cilindro donde la cúpula hace contacto eléctrico con él.
La cúpula actúa como la jaula de Faraday y lo que sucede es lo mismo que sucede en el experimento del cubo de hielo de Faraday. Ese experimento demostró que cualquier carga depositada en el interior de la cúpula, o un cubo de hielo en el caso de Faraday, terminaría en el exterior de la cúpula. El interior de la cúpula permanecerá neutral. La clave aquí es que, dado que el interior siempre es neutral, puede depositar más y más carga en el interior y no habrá tal carga para repelerlo. Cada carga depositada se mueve inmediatamente hacia el exterior.
Y así, el límite de tensión para Van de Graaff está determinado por el diámetro y la curvatura de la cúpula. Puede bombear aún más una carga al domo y continuará llevándola. Y al igual que con los cepillos, si la cúpula tuviera puntas afiladas, fácilmente formaría fuertes campos eléctricos con el área circundante y formaría una corona con fugas. Entonces, cuanto más grande y redonda es la cúpula, más débil es el campo eléctrico circundante. Será más difícil que se forme una corona y que el aire circundante se vuelva conductor.
Por supuesto que todavía hay límites. Por ejemplo, el campo eléctrico entre la cúpula y las partes del suelo en la parte inferior del Van de Graaff podría volverse lo suficientemente fuerte como para que se forme una corona, seguida de una chispa, neutralizando brevemente la cúpula.
Pero no todos los generadores Van de Graaff tienen esta forma. Vimos a uno usando una lata de refresco para la cúpula y sosteniéndola en su mano como una varita y a otro usando un árbol de Navidad para la cúpula. ¡Impactante!
Dax dice:
¿Qué tan eficiente es un generador Van de Graaff? ¿Puede cargar un banco de condensadores a alto voltaje en cualquier momento razonable?
Leithoa dice:
Dependiendo de las RPM de su motor, estoy seguro de que hay una fórmula en alguna parte. La mayoría de los generadores de escala de demostración escupen cientos de kV, pero no tienen energía detrás de ellos. Los frascos de Leiden, sin embargo, crearán una situación potencialmente peligrosa. E = 0,5 [capacitance] * [voltage]^ 2 así que asegúrese de agregar frascos Leyden a su VDG.
Niksa dice:
Está hablando de cargar un banco de tapas como si la capacitancia externa no aumentara el voltaje máximo de VDG. Cómo cargar un banco de tapas a diferencia de dos domos VDG de 500kV conectados por una varilla que produce 1MV como este https://www.youtube.com/watch?v=xIRGlrwMgKs
Niksa dice:
Supongo que el voltaje máximo no aumenta si el domo VDG está conectado a tapas regulares, pero uno podría pensar que sucede cuando observa cómo la capacitancia determina el voltaje máximo que se puede obtener del VDG https://www.youtube.com/watch? v = yaeITv9Ytko
Niksa dice:
Cuando se considera "El potencial máximo alcanzable es aproximadamente igual al radio de la esfera R multiplicado por el campo eléctrico Emax en el que las descargas coronales comienzan a formarse dentro del gas circundante. Para aire a temperatura y presión estándar (STP), el campo de colapso es de aproximadamente 30 kV / cm. "está claro por qué no aumenta.
Niksa dice:
O es eso
AMA dice:
Además de la corona de pérdida de carga, VDG está bastante cerca del suministro de corriente constante. Por lo general, en el décimo rango de memoria. Algunos tienen excitadores (alrededor de 5 kv) que se colocan en el cinturón en lugar de frotar.
Nitori dice:
He visto proyectos en los que la HV-PSU de los generadores de iones negativos o la fotocopiadora está entusiasmada.
Palmadita dice:
Respuesta corta: no, los generadores van de Graaf son lo suficientemente terribles para la entrega de energía. Dependiendo del flujo que entreguen, es patético: una microescala incluso en los casos más grandes. Que, por ejemplo, 1 MV, es similar a una escala de vatios. Y estamos hablando de las furgonetas del tamaño de una casa de Graaf aquí. Entonces sí. No está bien.
Sin embargo, puede hacer mejoras fáciles: hacer funcionar dos generadores en paralelo, uno positivo y otro negativo, para duplicar la diferencia de voltaje entre ellos (esta es la "camioneta tándem de Graaf"). Puede reemplazar el cinturón con una cadena de pellets o varillas (esto es un "pelletron" o "laddertron"), lo que aumenta en gran medida la velocidad que puede operar y esto aumenta la entrega de potencia.
Dichos aceleradores todavía funcionan en todo el mundo para la investigación física / médica, pero nuevamente la fuente de alimentación no es la parte importante allí.
Rodney McKay dice:
Cuando era niño (1960), tenía un esferoide oblato de aluminio hilado en diamante de 16 ″ absolutamente hermoso para mi generador Van de Graaff (era un regalo y definitivamente muy caro). Para mi eterna miseria, en algún momento cuando estaba ausente de la universidad, desapareció en un conjunto de limpieza de “basura” en la casa de mis padres. Desde entonces quise conseguir un reemplazo para descansar ese doloroso recuerdo, pero no pude encontrar nada ni tan lejos como estaba. No he tenido suerte con las búsquedas de Google, aunque creo que es posible que no sea inteligente con mis términos de búsqueda. Inventé grandes esferas de metal, pero no solo no se ven tan sexys como un esferoide achatado, sino que tampoco funcionan tan bien (significativamente menos Alto voltaje).
¿Alguien aquí sabe dónde encontrar algo así?
Dax dice:
ir al departamento de ciencias de los materiales de una universidad local y pedirles que le hagan uno?
Rodney McKay dice:
Oh ... ¡nunca pensaría en eso! Gracias. También encontré esto recientemente: http://www.wenzelmetalspinning.com/aluminum-spinning.html
anasciencisto dice:
Los tazones de servicio de acero inoxidable IKEA Soft Blank (http://www.ikea.com/us/en/catalog/products/00057256/) parecen hemisferios muy bonitos. Compré algunos para ese propósito, pero todavía no he hecho nada con ellos.
Mella dice:
¡Sí! Tengo un VDG casero que usa un par de esos y funciona muy bien. En un día seco, apagará chispas de 10 ″, arrojará platos de aluminio para pasteles o encenderá un LED sostenido en sus dedos. También tiene la costumbre de transformar TODO unos metros en un condensador sorpresa.
Héctor Bombino dice:
Eche un vistazo al enlace: construí una en la escuela secundaria para mi Proyecto de Ciencias y compré las dos medias esferas en una tienda de aluminio hilado aquí en el sur de California.
http://www.sci-supply.com/Van-De-Graaff-p/lc2910-hc.htm?gclid=Cj0KEQiAuJXFBRDirIGnpZLE-N4BEiQAqV0KGlN8H989lgvdAEePiBvZYng7CU8QU8QUBolas literales de acero dice:
Es posible que encuentre un poco de alivio al descubrir entonces “Mirando bolas / globos”.
Resulta que enormes esferas de acero inoxidable sin costura se utilizan como adornos de jardín y están disponibles en Amazon o en otros lugares por un precio realmente más económico que cualquier compensación personalizada.El tamaño de 16 ′ ”le costará alrededor de $ 100.
David Struebel dice:
Pruebe sciencefirst.com. Fabricar y proporcionar material y capacitación para laboratorios de ciencias de escuelas secundarias y universidades.
Conozco personalmente a los propietarios actuales que compraron la pequeña empresa llamada Morris and Lee ubicada en Buffalo NY de la mujer padre Frank Lee, después de que falleciera su pareja (el primer nombre era Morris, no recuerdo su apellido).
Hicieron crecer la pequeña empresa de pasatiempos de garaje de Frank Lee en la empresa que es ahora.Mi amigo falleció en 2004 de ALS, pero para entonces la empresa ya progresaba bien. El presidente actual es nieto de Frank Lee, y su madre Nancy Bell (Lee) y Ray Bell han sido muy amigos nuestros durante más de 35 años.
Después de la muerte de Ray en 2004, Nancy trasladó la empresa a Florida, donde ahora se encuentra. Incluso trasladaron a muchos empleados a largo plazo a Florida con ellos, lo que es inaudito para una empresa relativamente pequeña.
Si se pone en contacto con ellos, mencione que un viejo amigo Dave Struebel le contó sobre ellos.Franklin D. dice:
La hilatura de metales es una prima cercana a la hilatura de madera. Todos los husillos de metal también son tornos de madera decentes, ya que necesitan hacer las formas (positivas) que se utilizarán como núcleo. Pero, lamentablemente, la mayoría de los torneros de madera actuales evitan trabajar con metal. Sin embargo, hay una excepción: el departamento de dirección teatral de los grandes teatros y compañías que fabrican accesorios de cine todavía tiene un tipo que puede hacer madera y hacer girar metal. Solía conseguir mis prototipos de proyectos de un tipo que producía el 90% de su facturación anual torneando piezas para producciones cinematográficas.
Dan dice:
¿Y si algún efecto varía la longitud del cinturón?
Paul dice:
Su máquina se volverá más alta o más corta.
Steven Dufresne dice:
Con un cinturón más largo, podrá tener un voltaje más alto entre el domo y la sección inferior sin encender entre los dos extremos, aunque nunca he tenido problemas con eso a menos que esté probando un cinturón realmente corto.
Mella dice:
En un día muy seco tuve chispas de carreras en la superficie del tubo, pero la pérdida de carga debido al polvo en la esfera generalmente limita mi configuración.
esotérico dice:
Excelente explicación e imágenes.
¿Se obtendría la misma carga en la cúpula usando * solo * el efecto triboeléctrico, en lugar de depender de las coronas?AMA dice:
La carga debe moverse, sin rociar, obtendría una separación de carga (de unos pocos kilovoltios) entre el rodillo inferior y la cúpula y luego se agotaría. Al dejar que el potencial entre el rodillo y la boquilla de tierra se cargue en la banda, un flujo de carga continuo asciende por la banda y crece en el lado exterior de la cúpula, creando grandes potenciales. Creo que nunca he visto funcionar este método. Mi recuerdo del gran VdG en nuestra escuela es que tiene un borde de metal que raspa el cinturón. Esto funcionó muy mal la mayor parte del tiempo.
Martín dice:
¿Quizás solo porque alguien lo perdió y el borde no tuvo que raspar el cinturón?
Mike Lu dice:
¿Se podría construir VDG con aire fluyendo a través de un tubo aislado?
Roberto dice:
Lo más cercano que conozco sería un generador electrostático, donde se rocía tierra de diatomeas u otro polvo fino en ciclos a través de un circuito de tubo con aire comprimido, y las cargas aumentan en los puntos apropiados.
Básicamente, explote deliberadamente los efectos secundarios observados en los gabinetes de limpieza con chorro de arena.
Creo que lo vi en el libro “Homemade Lightning”.Steven Dufresne dice:
No creo que el aire que fluye a través de un tubo aislado produzca una carga. Sin embargo, el aire que fluye con las partículas adecuadas puede hacerlo. El efecto triboeléctrico se produce entre las partículas que golpean y salen y el interior del tubo. Supongo que cuando los artículos lleguen a la cúpula, depositarán su carga en la cúpula. Necesitaría alguna forma de quitarlos de la cúpula más tarde, de lo contrario, la cúpula se llenaría. No tengo idea de lo efectivo que sería. Supongo que con el tiempo el interior del tubo también se sobrecargaría.
Martín dice:
No es exactamente VDG, pero el aire en movimiento (seco) puede crear fuertes cargas eléctricas. Una vez tuve unas chispas impresionantes (> 1 cm) de una pistola presurizada que se usaba para limpiar algunas partes polvorientas en el aire frío y seco del invierno.
Y mi aspiradora inalámbrica Dyson tiene un puerto de carga en el mango. Ahora, en invierno, el aire en mi apartamento es muy seco. Cuando lo uso, siento que las chispas saltan de la toma de carga a mi mano. Probablemente no sea adecuado para la electrónica, pero no hay nada que pueda hacer al respecto.Erik Christiansen dice:
El aire seco que fluye hacia adentro, por ejemplo, una tubería de PVC, puede funcionar como un generador de VdG sin esfuerzo intencional. Las revistas de carpintería han recomendado tratar el cable conductor dentro de algunas tuberías de plástico que se utilizan como conductos en una trampa de polvo para carpintería.
Lo peor seria soplar bien [wood]harina en aire seco a través del tubo de plástico rápidamente. La fuga desencadenaría una explosión para muchos rangos de combustibles / aire, sugiero. Los fragmentos de plástico duro dentados a alta velocidad serían potencialmente fatales. La tubería de metal es obviamente más segura en este sentido.Mella dice:
Es posible que pueda usar aire que fluye para mover una carga rociada por una fuente de alimentación múltiple, pero no estoy seguro de cómo podría sacar el aire de la esfera sin perder carga.
Jason Scott Hoffman (@maxhirez) dice:
Cuando era niño, recuerdo un libro de experimentos físicos de alto nivel en la biblioteca de la escuela, uno de los cuales era la construcción de un trono lineal (¡eso es un golpeador de átomo derecho para niños!) Usando un VDG, un tubo de vacío que conecta al globo en diagonal. del suelo, una bombilla de filamento y no recuerdo qué más. ¿Alguien tiene las especificaciones para algo similar, o una explicación tan buena como esta?
AMA dice:
La columna Scientific American Amateur Scientist tiene 2 memorables, uno es un acelerador de electrones para irradiar semillas y el otro es un acelerador de protones / deuterones para hacer física de alta energía, produciendo rayos gamma y neutrones de alta energía. Busque un acelerador de protones deutrones de Larry Cress.
Steven Dufresne dice:
Hacer la búsqueda me llevó a aquí:
http://www.sciencemadness.org/talk/files.php?pid=91439&aid=2765&usg=AFQjCNGoxCCAPv74u-agOGZKtRj52aprhA&bvm=bv.147448319,d.amc
El sitio web da un error pero al mismo tiempo todavía está descargando un archivo PDF con el artículo de CL Stong SciAm.
Hay muchas cosas divertidas por ahí.Jason Scott Hoffman (@maxhirez) dice:
El diagrama se parece bastante al de mi memoria de hace 30 años. ¡Gracias, hombres!
Roberto dice:
¿La columna de tubería juega un papel en el asunto?
He visto comparativamente pocos VDG con solo placas o columnas como soporte en lugar de la columna de tubo.
¿Es solo por razones prácticas de construcción? ¿O ese entorno cerrado de alguna manera juega un papel en la eficiencia?Steven Dufresne dice:
El tubo es una forma muy sencilla de proporcionar el soporte necesario. El hecho de que se cierre no importa. Sin embargo, asegúrese de que sea un material conductor incorrecto, de lo contrario acortará las cosas.
Harlley Sathler dice:
Cuando era niño (12 años), mi padre y yo construimos uno para la feria de ciencias escolares. Eso terminó dándome el primer premio de ese año.
Kyle F. dice:
Muchas gracias por escribir esto. Llega en un momento en el que estoy estudiando electricidad y magnetismo, así que ahora estoy muy interesado en construir uno. ¡Publique este tipo de contenido con más frecuencia!
Jaime dice:
¿Podrías pintar las cargas eléctricas en un pequeño cordón de nailon y usar el cordón como cinturón?
