Un generador de Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una cinta 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 niveles de corriente bajos. Fue inventado por el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff en 1929. [1] La diferencia de potencial lograda por los generadores de Van de Graaff modernos puede ser de hasta 5 megavoltios. Una versión de sobremesa puede producir del orden de 100 kV y puede almacenar suficiente energía para producir chispas eléctricas visibles . Las pequeñas máquinas de Van de Graaff se producen para el entretenimiento y para la educación en física para enseñar electrostática ; las 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 utilizarse 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 el arco eléctrico y la descarga de corona a aproximadamente 5 MV. La mayoría de las máquinas industriales modernas están encerradas en un tanque presurizado de gas aislante; pueden alcanzar potenciales de hasta aproximadamente 25 MV.
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El concepto de un 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 de agua cargadas caen en un balde con la misma carga de polaridad, sumándose a la carga. [4] En una máquina de este tipo, la fuerza gravitacional mueve las gotas contra el campo electrostático opuesto del balde. El propio Kelvin sugirió por primera vez usar una correa para transportar 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] [4] Utilizaba una correa de caucho de la 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 aplicaba a la correa desde el rodillo inferior conectado a tierra por inducción electrostática utilizando una placa cargada. John Gray también inventó una máquina de correa alrededor de 1890. [4] Otra máquina de correa más complicada fue inventada en 1903 por Juan Burboa [1] [5] Una inspiración más inmediata para Van de Graaff fue un generador que WFG Swann estaba desarrollando en la década de 1920 en el que la carga se transportaba a un electrodo mediante la caída de bolas de metal, volviendo así al principio del gotero de agua Kelvin. [1] [6]
El generador de 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 usaba una lata común, un motor pequeño y una cinta de seda comprada en una tienda de artículos varios . Después de eso, fue al presidente del departamento de física y le pidió 100 dólares para hacer una versión mejorada. Consiguió el dinero, con cierta dificultad. En 1931, pudo informar que había logrado 1,5 millones de voltios, diciendo "La máquina es simple, económica y portátil. Un portalámparas común 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 en columnas de vidrio de borosilicato de 180 cm de alto; 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 Tecnológico de Massachusetts a cambio de una parte de los ingresos netos; la patente fue concedida posteriormente. [12]
En 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 . [13] Una consecuencia de la ubicación de este generador en un hangar de aviones fue el "efecto paloma": arcos eléctricos a partir de excrementos acumulados en la superficie exterior de las esferas. [14]
En 1937, la empresa Westinghouse Electric construyó en Forest Hills (Pensilvania) una máquina de 20 m de largo, el Westinghouse Atom Smasher, capaz de generar 5 MeV . Esta máquina marcó el inicio de la investigación nuclear para aplicaciones civiles. [15] [16] Fue desmantelada en 1958 y demolida parcialmente en 2015. [17] (El recinto fue colocado 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 nuevamente. Un ejemplo de una operación de tres etapas se construyó en el Laboratorio Nuclear de Oxford en 1964 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 la terminal de un tándem que utilizaba un tanque de gas hexafluoruro de azufre (SF6 ) a alta presión para evitar la formación de chispas al atrapar electrones. Esto permitió la generación de haces de iones pesados de varias decenas de MeV, suficientes para estudiar las 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 haces de iones radiactivos Holifield en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [20]
Un desarrollo posterior es el pelletrón , donde la correa de goma o tela se reemplaza por una cadena de varillas conductoras cortas conectadas por enlaces aislantes, y los electrodos ionizadores 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 en la Universidad Nacional de Australia alberga un pelletrón de 15 MV. Sus cadenas tienen más de 20 m de largo y pueden viajar más rápido que 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 funcionamiento 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 útil, aceleró 80 haces de iones diferentes para uso experimental, que abarcaban desde protones hasta uranio. Una característica particular era la capacidad de acelerar haces isotópicos y radiactivos raros. Quizás el descubrimiento más importante realizado utilizando 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 rayos gamma emitidos a medida que disminuyen su velocidad proporcionó información detallada sobre la estructura interna del núcleo. [22] Después de los recortes financieros, la NSF cerró en 1993. [23]
Un generador de Van de Graaff simple consiste en una cinta 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. Un electrodo metálico en forma de peine con puntas afiladas (2 y 7 en el diagrama) se coloca cerca de cada rodillo. El peine superior (2) está conectado a la esfera y el inferior (7) a tierra. Cuando se utiliza un motor para accionar la cinta, el efecto triboeléctrico provoca la transferencia de electrones desde los materiales diferentes de la cinta y los dos rodillos. En el ejemplo mostrado, el caucho de la cinta se cargará negativamente mientras que el vidrio acrílico del rodillo superior se cargará positivamente. La cinta se lleva la 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 de la cinta, mientras que los iones positivos van al peine. En el peine son neutralizados por los electrones del metal, dejando así el peine y la capa exterior adjunta (1) con menos electrones netos y una carga positiva neta. Por 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 campo eléctrico dentro de la capa. Continuar impulsando la cinta provoca una mayor inducción electrostática, que puede acumular grandes cantidades de carga en la capa. La carga continuará acumulándose hasta que la tasa de carga que sale de la esfera (a través de fugas y descargas de corona ) sea igual a la tasa a la que la cinta transporta nueva carga a la esfera. [24]
Fuera de la esfera terminal, se genera un campo eléctrico elevado debido al alto voltaje en la esfera, lo que impediría la adición de más carga desde el exterior. Sin embargo, como los conductores cargados eléctricamente no tienen ningún campo eléctrico en su interior, se pueden agregar cargas continuamente desde el interior sin necesidad de superar todo el potencial de la capa exterior.
Cuanto mayor sea la esfera y más alejada esté del suelo, mayor será su potencial máximo. El signo de la carga (positiva o negativa) 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 la correa directamente, en lugar de depender únicamente del efecto triboeléctrico.
Un terminal de generador de Van de Graaff no necesita tener forma esférica 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 potenciales mayores sin ionización del aire u otro gas dieléctrico que lo rodea. Dado que un generador de Van de Graaff puede suministrar la misma corriente pequeña 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 Emax en el que comienzan a formarse descargas de corona dentro del gas circundante. Para el aire a temperatura y presión estándar ( STP ), el campo de ruptura es de aproximadamente30 kV/cm . Por lo tanto, se podría esperar que un electrodo esférico pulido de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro desarrolle un voltaje máximo V max = R · E max de aproximadamente450 kV . 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 de 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 la tierra da como resultado un campo eléctrico correspondiente . Cuando una fuente de iones se coloca 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 presurizado, se puede aumentar el voltaje de ruptura, lo que aumenta la energía máxima de las partículas aceleradas. [25]
Los aceleradores de Van de Graaff de haz de partículas se utilizan a menudo en una configuración " tándem " con el terminal de alto potencial ubicado en el centro de la máquina. Los iones con carga negativa se inyectan en un extremo, donde son acelerados por una fuerza de atracción hacia el terminal. Cuando las partículas llegan al terminal, se les quitan algunos electrones para que queden cargadas positivamente y, posteriormente, son aceleradas por fuerzas repulsivas que las alejan del terminal. Esta configuración da como resultado dos aceleraciones por el costo de un generador de 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 tipo de acelerador en tándem diseñado para superar algunas de las desventajas de utilizar una correa para transferir carga al terminal de alto voltaje. En el pelletrón, la correa se reemplaza por "pellets", esferas de metal unidas por eslabones aislantes en una cadena. Esta cadena de esferas cumple la misma función que la correa en un acelerador Van de Graff tradicional: transportar carga al terminal de alto voltaje. Las esferas cargadas separadas y la mayor durabilidad de la cadena significan que se pueden lograr voltajes más altos en el terminal de alto voltaje y que la carga se puede transportar al terminal más rápidamente. [25]
El generador de Van de Graaff aislado con aire más grande del mundo, construido por el Dr. Van de Graaff en la década de 1930, ahora se exhibe de forma permanente en el Museo de Ciencias de Boston. Con dos esferas de aluminio unidas de 4,5 m (15 pies) de altura, este generador a menudo puede obtener 2 MV (2 millones de voltios ). Se realizan espectáculos que utilizan el generador de Van de Graaff y varias bobinas de Tesla dos o tres veces al día. [26] Muchos museos de ciencia, como el Museo Americano de Ciencia y Energía , tienen generadores de Van de Graaff a pequeña escala en exhibición y explotan sus cualidades de producción de electricidad estática para crear "relámpagos" o hacer que se le erice el pelo a la gente. Los generadores de Van de Graaff también se utilizan en escuelas y espectáculos científicos. [27]
Otras máquinas electrostáticas, como la máquina de Wimshurst o la máquina de Bonetti, funcionan de manera similar al generador de Van De Graaff; la carga se transporta mediante placas, discos o cilindros en movimiento hasta un electrodo de alto voltaje. Sin embargo, en estos generadores, la descarga de corona de las partes metálicas expuestas a potenciales altos y un aislamiento más deficiente da como resultado voltajes más bajos. En un generador electrostático, la tasa de carga transportada ( corriente ) al electrodo de alto voltaje es muy pequeña. Después de que se pone en marcha la máquina, el voltaje en el electrodo terminal aumenta hasta que la corriente de fuga del electrodo es igual a la tasa 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 electrodo esférico hueco grande. Esta es la forma ideal para minimizar la fuga y la descarga de corona, por lo que el generador de Van de Graaff puede producir el mayor voltaje. Esta es la razón por la que el diseño de Van de Graaff se ha utilizado 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 lograr. [28] [ Se necesita verificación ] [ Se necesita una mejor fuente ]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de septiembre de 2024 ( enlace )
DOC ". Scientific American, marzo de 1934. (formato .doc)