Un generador Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una correa móvil 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 potencial lograda por los generadores Van de Graaff modernos puede ser de hasta 5 megavoltios. Una versión de mesa puede producir del orden de 100 kV y puede almacenar suficiente energía para producir chispas eléctricas visibles . Se producen pequeñas máquinas Van de Graaff para entretenimiento y para la educación física para enseñar electrostática ; los más grandes se exhiben en algunos museos de ciencias .
El generador de Van de Graaff se desarrolló originalmente como un acelerador de partículas para la investigación en física, ya que su alto potencial puede usarse para acelerar partículas subatómicas a grandes velocidades en un tubo de vacío. Fue el tipo de acelerador más potente hasta que se desarrolló el ciclotrón a principios de la década de 1930. Los generadores de 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 . [2]
El voltaje producido por una máquina de Van de Graaff al aire libre está limitado por arcos y descargas de corona a aproximadamente 5 MV. La mayoría de las máquinas industriales modernas están encerradas en un tanque presurizado de gas aislante; estos pueden alcanzar potenciales tan grandes como aproximadamente 25 MV.
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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), [3] en el que gotas cargadas de El agua cae en un cubo con la misma carga de polaridad, aumentando la carga. [4] En una máquina de este tipo, la fuerza gravitacional mueve las gotas contra el campo electrostático opuesto del cubo. El propio Kelvin sugirió por primera vez utilizar un cinturón para transportar la carga en lugar de agua. La primera máquina electrostática que utilizaba una correa sin fin para transportar carga fue construida en 1872 por Augusto Righi . [1] [4] Utilizó una correa de caucho india con anillos de alambre a lo largo de su longitud como portadores de carga, que pasaban a un electrodo de metal esférico. La carga se aplicó a la correa desde el rodillo inferior conectado a tierra mediante inducción electrostática utilizando una placa cargada. John Gray también inventó una máquina de cinta alrededor de 1890. [4] Juan Burboa inventó otra máquina de cinta más complicada en 1903 [1] [5] Una inspiración más inmediata para Van de Graaff fue un generador que WFG Swann estaba desarrollando en la década de 1920 en cuya carga era transportada a un electrodo mediante la caída de bolas de metal, volviendo así al principio del gotero de agua Kelvin. [dieciséis ]
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 la ayuda de su colega Nicholas Burke. El primer modelo se demostró en octubre de 1929. [7] La primera máquina utilizaba una lata normal, un motor pequeño y una cinta de seda comprada en una tienda de cinco centavos . Después de eso, acudió al presidente del departamento de física y le pidió 100 dólares para hacer una versión mejorada. Consiguió el dinero, con algunas dificultades. En 1931, pudo informar que había alcanzado 1,5 millones de voltios y dijo: "La máquina es simple, económica y portátil. Un portalámparas común y corriente 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 costaba 90 dólares en 1931. [10] [11]
Van de Graaff solicitó una segunda patente en diciembre de 1931, que fue asignada al Instituto de Tecnología de Massachusetts a cambio de una parte de los ingresos netos; Posteriormente se concedió la patente. [12]
En 1933, Van de Graaff construyó un modelo de 12 m (40 pies) en las instalaciones de Round Hill del MIT , cuyo uso fue donado por el coronel Edward HR Green . [13] Una consecuencia de la ubicación de este generador en un hangar de aviones fue el "efecto paloma": formación de arcos debido a los excrementos acumulados en la superficie exterior de las esferas. [14]
En 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. [15] [16] Fue desmantelado en 1958 y parcialmente demolido en 2015. [17] (El recinto se colocó de lado por razones de seguridad). [18]
Un desarrollo más reciente es el acelerador Van de Graaff en tándem, 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 un terminal de alto voltaje, y acelerados. de nuevo. En 1964 se construyó en el Laboratorio Nuclear de Oxford un ejemplo de operación de tres etapas con un "inyector" de un solo extremo de 10 MV y un tándem EN de 6 MV. [19] [ página necesaria ]
En la década de 1970, se podían alcanzar hasta 14 MV en el terminal de un tándem que utilizaba un tanque de gas hexafluoruro de azufre (SF 6 ) a alta presión para evitar chispas al atrapar electrones. Esto permitió generar haces de iones pesados de varias decenas de MeV, suficientes para estudiar reacciones nucleares directas de iones ligeros. El mayor potencial sostenido por un acelerador de Van de Graaff es de 25,5 MV, logrado por el tándem en la instalación de haces de iones radiactivos Holifield en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [20]
Otro desarrollo es el pelletrón , en el que la correa de caucho o tela se reemplaza por una cadena de varillas conductoras cortas conectadas por eslabones aislantes, y los electrodos de ionización del aire se reemplazan por un rodillo puesto a tierra y un electrodo de carga inductivo. 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 MV. Sus cadenas tienen más de 20 m de largo y pueden viajar a más de 50 km/h (31 mph). [21]
La Instalación de Estructura Nuclear (NSF) en el Laboratorio Daresbury se propuso en la década de 1970, se puso en servicio en 1981 y se abrió para experimentos en 1983. Consistía en un generador Van de Graaff en tándem que funcionaba rutinariamente 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 haces isotópicos y radiactivos raros. Quizás el descubrimiento más importante realizado con la 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 los rayos gamma emitidos a medida que disminuyen su velocidad proporcionó información detallada sobre la estructura interna del núcleo. [22] Tras los recortes financieros, la NSF cerró en 1993. [23]
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 diferente material, uno de los cuales está rodeado por una esfera metálica hueca. Cerca de cada rodillo se coloca un electrodo metálico en forma de peine con puntas afiladas (2 y 7 en el diagrama). El peine superior (2) está conectado a la esfera y el inferior (7) a tierra. Cuando se utiliza un motor para impulsar la correa, el efecto triboeléctrico provoca la transferencia de electrones desde los diferentes materiales de la correa y los dos rodillos. En el ejemplo mostrado, la goma de la correa quedará cargada negativamente mientras que el vidrio acrílico del rodillo superior quedará cargado positivamente. La correa transporta carga negativa en su superficie interior mientras que el rodillo superior acumula carga positiva. [24]
A continuación, el fuerte campo eléctrico que rodea el rodillo superior positivo (3) induce un campo eléctrico muy alto cerca de las puntas del peine cercano (2). En las puntas del peine, el campo se vuelve lo suficientemente fuerte como para ionizar las moléculas de aire. Los electrones de las moléculas de aire son atraídos hacia el exterior del cinturón, mientras que los iones positivos van hacia el peine. En el peine son neutralizados por electrones del metal, dejando así el peine y la capa exterior adjunta (1) con menos electrones netos y una carga neta positiva. Según la ley de Gauss (como se ilustra en el experimento del cubo de hielo de Faraday ), el exceso de carga positiva se acumula en la superficie exterior de la capa exterior, sin dejar ningún campo eléctrico dentro de la capa. Continuar impulsando la correa provoca una mayor inducción electrostática, que puede acumular grandes cantidades de carga en la carcasa. La carga continuará acumulándose hasta que la velocidad de carga que sale de la esfera (a través de fugas y descarga de corona ) sea igual a la velocidad a la que el cinturón transporta nueva carga hacia la esfera. [24]
Fuera de la esfera terminal, se produce un alto campo eléctrico debido al alto voltaje en la esfera, lo que impediría la adición de más carga desde el exterior. Sin embargo, dado que los conductores cargados eléctricamente no tienen ningún campo eléctrico en su interior, se pueden añadir cargas continuamente desde el interior sin necesidad de superar todo el potencial de la capa exterior.
Cuanto más grande es la esfera y más lejos está del suelo, mayor es su potencial máximo. El signo de la carga (positivo o negativo) se puede controlar mediante la selección de materiales para la correa y los rodillos. También se pueden lograr potenciales más altos en la esfera utilizando una fuente de voltaje para cargar el cinturón directamente, en lugar de depender únicamente del efecto triboeléctrico.
Un 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 alcanzar mayores potenciales sin ionización del aire u otro gas dieléctrico que lo rodea. 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 fuente de corriente casi ideal .
El potencial máximo alcanzable es aproximadamente igual al radio de la esfera R multiplicado por el campo eléctrico Emax en el que comienzan a formarse descargas de corona dentro del gas circundante . Para aire a temperatura y presión estándar ( STP ), el campo de ruptura es de aproximadamente30kV/cm . Por lo tanto, se podría esperar que un electrodo esférico pulido de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro desarrollara un voltaje máximo V máx = R · E máx de aproximadamente450 kilovoltios . Esto explica por qué los generadores Van de Graaff suelen fabricarse con el mayor diámetro posible. [25]
La motivación inicial para el desarrollo del generador Van de Graaff fue como fuente de alto voltaje para acelerar partículas para experimentos de física nuclear. [1] La alta diferencia de potencial entre la superficie del terminal y tierra da como resultado un campo eléctrico correspondiente . Cuando se coloca una fuente de iones cerca de la superficie de la esfera (normalmente dentro de la propia esfera), el campo acelerará las partículas cargadas del signo apropiado alejándolas de la esfera. Al aislar el generador con gas a presión, se puede elevar el voltaje de ruptura, aumentando la energía máxima de las partículas aceleradas. [25]
Los aceleradores Van de Graaff de haz de partículas se utilizan a menudo en una configuración " tándem " con el terminal de alto potencial situado en el centro de la máquina. Se inyectan iones cargados negativamente en un extremo, donde son acelerados por una fuerza de atracción hacia el terminal. Cuando las partículas llegan a la terminal, se les quitan algunos electrones para cargarlas positivamente y, posteriormente, se aceleran mediante fuerzas repulsivas alejándose 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 instrumentación de la fuente de iones accesible cerca del potencial de tierra. [25]
El pelletrón es un estilo de acelerador en tándem diseñado para superar algunas de las desventajas de usar una correa para transferir carga al terminal de alto voltaje. En el pelletrón, la correa se reemplaza por "pellets", esferas metálicas unidas por eslabones aislantes formando una cadena. Esta cadena de esferas cumple la misma función que la correa de un acelerador Van de Graff tradicional: transmitir carga al terminal de alto voltaje. Las esferas cargadas separadas y la mayor durabilidad de la cadena significan que se pueden alcanzar voltajes más altos en el terminal de alto voltaje y la carga se puede transportar al terminal más rápidamente. [25]
El generador Van de Graaff aislado en aire más grande del mundo, construido por el Dr. Van de Graaff en la década de 1930, se exhibe ahora de forma permanente 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 ). Dos o tres veces al día se realizan espectáculos que utilizan el generador Van de Graaff y varias bobinas de Tesla . [26] Muchos museos de ciencia, como el Museo Americano de Ciencia y Energía , exhiben generadores Van de Graaff de pequeña escala y explotan sus cualidades de producción de estática para crear "relámpagos" o hacer que a la gente se le pongan los pelos de punta. Los generadores Van de Graaff también se utilizan en escuelas y espectáculos científicos. [27]
Otras máquinas electrostáticas como la máquina Wimshurst o la máquina Bonetti funcionan de manera similar al generador Van De Graaff; La carga se transporta moviendo placas, discos o cilindros hasta un electrodo de alto voltaje. Sin embargo, para estos generadores, la descarga en corona de las piezas metálicas expuestas a potenciales altos y un aislamiento deficiente 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 arrancar la máquina, el voltaje en el electrodo terminal aumenta hasta que la corriente de fuga del electrodo iguala la velocidad de transporte de carga. Por lo tanto, la fuga del terminal determina el voltaje máximo alcanzable. En el generador de 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, de modo que el generador Van de Graaff pueda producir el mayor voltaje. Por este motivo se ha utilizado el diseño de Van de Graaff para todos los aceleradores de partículas electrostáticos. En general, cuanto mayor sea el diámetro y más lisa sea la esfera, mayor será el voltaje que se puede alcanzar. [28] [ se necesita verificación ] [ se necesita una mejor fuente ]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )
DOC ". Scientific American, marzo de 1934. (formato .doc)