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Generador de Van de Graaff

Un generador Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una correa móvil para acumular carga eléctrica en un globo metálico hueco situado en la parte superior de u...

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Un generador Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una correa móvil para acumular carga eléctrica en un globo metálico hueco situado 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 alcanzada por los generadores Van de Graaff modernos puede llegar a ser de hasta 5 megavoltios (MV). Una versión de sobremesa económica puede producir alrededor de 100 kV y almacenar suficiente energía para producir chispas eléctricas visibles . Se fabrican pequeñas máquinas Van de Graaff para el entretenimiento y para la enseñanza de la física, para enseñar electrostática ; las de mayor tamaño se exhiben en algunos museos de ciencia . 

El generador Van de Graaff se desarrolló originalmente como un acelerador de partículas para la investigación en física, ya que su alto potencial permite acelerar partículas subatómicas a grandes velocidades en un tubo acelerador al vacío. Fue el tipo de acelerador más potente hasta el desarrollo del ciclotrón a principios de la década de 1930. Debido a que la energía electrostática se controla fácilmente, los generadores Van de Graaff todavía se utilizan como aceleradores para generar haces de partículas energéticas para la investigación nuclear y la medicina nuclear . [ 2 ]

El voltaje producido por una máquina Van de Graaff al aire libre está limitado por la formación de arcos eléctricos y descargas corona a unos 5 megavoltios (MV). Los aceleradores de investigación Van de Graaff están encerrados en un tanque presurizado de gas aislante; estos pueden alcanzar potenciales de hasta unos 25  MV.

Historia

El Westinghouse Atom Smasher , el Generador Van de Graaff de 5 MeV construido en 1937 por la compañía Westinghouse Electric en Forest Hills, Pensilvania.

Fondo

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 de Kelvin , inventado en 1867 por William Thomson (Lord Kelvin), [ 3 ] en el que gotas de agua cargadas caen en un cubo con la misma polaridad de carga, sumándose a la carga. [ 4 ] En una máquina de este tipo, la fuerza gravitatoria mueve las gotas contra el campo electrostático opuesto del cubo. El propio Kelvin sugirió por primera vez usar una correa para transportar la carga en lugar de agua. La primera máquina electrostática que usó una correa sin fin para transportar carga fue construida en 1872 por Augusto Righi . [ 1 ] [ 4 ] Usaba una correa de caucho 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 usando una placa cargada. John Gray también inventó una máquina de correa alrededor de 1890. [ 4 ] Otra máquina de correa más compleja 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 bolas metálicas que caían, volviendo así al principio del gotero de agua de Kelvin. [ 1 ] [ 6 ]

Desarrollo inicial

Réplica de 200 kV de la máquina Van de Graaff de 1929

Robert Jemison Van de Graaff llegó al generador debido a su deseo de estudiar "partículas individuales". [ 7 ] Después de graduarse de la Universidad de Alabama en 1922 con un título en ingeniería mecánica, se sintió insatisfecho con la termodinámica y su tratamiento estadístico de las partículas. En la Sorbona en 1924, asistió a las conferencias de Marie Curie sobre radiactividad y presenció la defensa doctoral de Louis de Broglie , quien presentó la dualidad onda-partícula, una experiencia que más tarde describió como decisiva para orientarlo hacia la física nuclear. [ 8 ] [ 7 ] Como becario Rhodes en Oxford de 1925 a 1928, leyó el discurso de Ernest Rutherford en la Royal Society en 1927, en el que abogaba por haces de partículas que superaran en energía a las fuentes radiactivas naturales, y comenzó a considerar cómo se podría transportar la carga mecánicamente a un terminal de alto voltaje. [ 8 ]

En Princeton, en 1929, trabajando bajo la dirección de Karl T. Compton , Van de Graaff construyó su primer modelo a partir de una lata, una cinta de seda y un pequeño motor. Alcanzó los 80 000 voltios. [ 7 ] En septiembre de 1931, una máquina de doble esfera construida por aproximadamente 100 dólares alcanzó 1,5 millones de voltios, el doble de cualquier fuente de corriente continua anterior. [ 9 ] [ 10 ] La demostración atrajo una amplia cobertura mediática y la atención de otros físicos. [ 10 ] Ese mismo mes, Merle Tuve, del Departamento de Magnetismo Terrestre de la Institución Carnegie, tomó prestado el aparato y lo ató a su automóvil para el viaje a Washington. Equipada con un tubo acelerador, la máquina DTM permitió los primeros experimentos de física nuclear de Van de Graaff a finales de 1932. [ 11 ] [ 12 ]

Van de Graaff siguió a Compton al MIT en 1931 y, con financiación de Research Corporation e instalaciones donadas por Edward HR Green , construyó un generador mucho más grande en la estación de investigación de Round Hill . Ubicado en un antiguo hangar de aviones, contaba con dos esferas de aluminio de 4,6 metros sobre columnas de 6,7 metros y alcanzó un diferencial de 5,1 millones de voltios. Operar al aire libre implicaba lidiar con lo que el equipo denominó el "efecto paloma", un arco eléctrico causado por la acumulación de excrementos en las esferas. [ 13 ] Mientras tanto, Raymond Herb, de la Universidad de Wisconsin, exploró un enfoque alternativo: máquinas cerradas y presurizadas. Su acelerador de 1934 alcanzó 1 millón de voltios en un tanque compacto utilizando aire mezclado con vapor de tetracloruro de carbono. [ 14 ] Este método de aislamiento a presión, más que la escala en sí, definiría el desarrollo posterior. Van de Graaff solicitó una segunda patente en diciembre de 1931, que fue asignada a Research Corporation . [ 15 ]

Máquinas de mayor energía

Un acelerador de partículas Van de Graaff en un tanque presurizado en la Universidad Pierre y Marie Curie , París.

En 1937, la compañía Westinghouse Electric construyó una máquina de 20 m (65 pies) , el Westinghouse Atom Smasher, capaz de generar 5 MeV en Forest Hills, Pensilvania . Marcó el comienzo de la investigación nuclear para aplicaciones civiles. [ 16 ] [ 17 ] Fue desmantelado en 1958 y parcialmente demolido en 2015. [ 18 ] (El recinto fue colocado de lado por razones de seguridad). [ 19 ]   

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 con carga negativa 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 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  acelerador en tándem EN de 6 MV. [ 20 ]

En la década de 1970, se podían alcanzar hasta 14 MV en el extremo de un acelerador tándem que utilizaba un tanque de gas hexafluoruro de azufre (SF₆ ) a alta presión para evitar chispas mediante el atrapamiento de electrones. Esto permitió la generación de 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 Van de Graaff es de 25,5  MV, alcanzado por el acelerador tándem en la Instalación de Haces de Iones Radiactivos Holifield en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [ 21 ]

Un desarrollo posterior es el pelletron , donde la cinta de caucho 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 operar a una velocidad mucho mayor que una cinta, y tanto el voltaje como las corrientes alcanzables son mucho mayores que con un generador Van de Graaff convencional. El  acelerador de iones pesados ​​14 UD de la Universidad Nacional de Australia alberga un  pelletron de 15 MV. Sus cadenas tienen más de 20  m de longitud y pueden viajar a más de 50 km/h (31 mph) . [ 22 ]  

La Instalación de Estructura Nuclear (NSF, por sus siglas en inglés) del Laboratorio Daresbury (Reino Unido) se propuso en la década de 1970, se puso en marcha en 1981 y se inauguró para experimentos en 1983. Consistía en un generador Van de Graaff en tándem (específicamente, un Laddertron [ 23 ] ) que operaba rutinariamente a 20 MV, ubicado en un singular edificio de 70  m de altura. Durante su vida útil, aceleró 80 haces de iones diferentes para uso experimental, desde protones hasta uranio. Una característica particular era su capacidad para acelerar haces isotópicos y radiactivos poco comunes. 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, rotan muy rápidamente. El patrón de rayos gamma emitidos al desacelerar proporcionó información detallada sobre la estructura interna del núcleo. [ 24 ] Tras recortes presupuestarios, la NSF cerró en 1993. [ 25 ]

Descripción

Diagrama del generador de Van de Graaff

Un generador 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. 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 correa, el efecto triboeléctrico provoca la transferencia de electrones entre los materiales diferentes de la correa y los dos rodillos. En el ejemplo mostrado, el caucho de la correa se cargará negativamente, mientras que el vidrio acrílico del rodillo superior se cargará positivamente. La correa transporta la carga negativa en su superficie interna, mientras que el rodillo superior acumula carga positiva. [ 26 ]

A continuación, el fuerte campo eléctrico que rodea el rodillo superior positivo (3) induce un campo eléctrico muy alto cerca de los puntos del peine cercano (2). En los puntos 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 se dirigen al 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 positiva neta. 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 campo eléctrico en su interior. Al continuar impulsando la cinta, se produce 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 hacia la esfera. [ 26 ]

Fuera de la esfera terminal, el alto voltaje generado por la esfera produce un campo eléctrico intenso que impediría la adición de carga desde el exterior. Sin embargo, dado que los conductores cargados eléctricamente no tienen campo eléctrico en su interior, se pueden añadir cargas continuamente desde dentro sin necesidad de superar el potencial total de la capa exterior.

Chispa producida por el generador Van de Graaff en el Museo de Ciencias de Boston , Massachusetts.

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 los materiales de la correa y los rodillos. También se pueden alcanzar potenciales más altos en la esfera utilizando una fuente de voltaje para cargar la correa directamente, en lugar de depender únicamente del efecto triboeléctrico.

Para que un generador Van de Graaff funcione, el terminal no necesita ser esférico; de hecho, la forma óptima es una esfera con una curvatura hacia adentro alrededor del orificio por donde entra la correa. Un terminal redondeado minimiza el campo eléctrico a su alrededor, lo que permite alcanzar potenciales mayores sin ionizar el aire u otro gas dieléctrico que lo rodea. Dado que un generador Van de Graaff puede suministrar la misma corriente pequeña 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 E max en el que comienzan a formarse descargas de corona dentro del gas circundante. Para el aire a temperatura y presión estándar ( TPE ), el campo de ruptura es aproximadamente30  kV/cm . Por lo tanto, se podría esperar que un electrodo esférico pulido de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro desarrollara 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. [ 27 ]

Generador Van de Graaff para uso educativo en escuelas
Con el terminal superior en forma de salchicha retirado
Electrodo en forma de peine en la parte inferior que deposita carga en la correa.
Electrodo en forma de peine en la parte superior que elimina la carga de la correa.

Utilizar como acelerador de partículas

Este generador Van de Graaff del primer acelerador lineal de partículas húngaro alcanzó los 700  kV en 1951 y los 1000  kV en 1952.
Diagrama simplificado de un acelerador en tándem

La motivación inicial para el desarrollo del generador Van de Graaff fue como fuente de alto voltaje para acelerar partículas en experimentos de física nuclear. [ 1 ] La alta diferencia de potencial entre la superficie del terminal y tierra genera 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 acelera partículas cargadas del signo apropiado, alejándolas de la esfera. Al aislar el generador con gas a presión, se puede aumentar el voltaje de ruptura, incrementando así la energía máxima de las partículas aceleradas. [ 27 ]

Aceleradores en tándem

Acelerador Van de Graaff Tandem en NCSRD en Grecia

Los aceleradores Van de Graaff de haz de partículas se utilizan a menudo en una configuración en tándem , con el terminal de alto potencial situado 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. Al llegar al terminal, las partículas pierden algunos electrones, adquiriendo así carga positiva, y posteriormente son aceleradas por fuerzas repulsivas alejándose del terminal. Esta configuración permite realizar dos aceleraciones con el coste de un generador Van de Graaff y, además, ofrece la ventaja de dejar la instrumentación de la fuente de iones accesible cerca del potencial de tierra. [ 27 ]

Pelletron

El pelletron es un tipo de acelerador en tándem diseñado para superar algunas de las desventajas de usar una cinta transportadora para transferir la carga al terminal de alta tensión. En el pelletron, la cinta se reemplaza por "pellets", esferas metálicas unidas por eslabones aislantes que forman una cadena. Esta cadena de esferas cumple la misma función que la cinta en un acelerador Van de Graaff tradicional: transportar la carga al terminal de alta tensión. Las esferas cargadas individualmente y la mayor durabilidad de la cadena permiten alcanzar voltajes más altos en el terminal de alta tensión y transportar la carga al mismo con mayor rapidez. [ 27 ]

Generadores de entretenimiento y educativos

Una mujer toca un generador Van de Graaff en el Museo Americano de Ciencia y Energía . Los mechones de cabello cargados se repelen entre sí y sobresalen de su cabeza.

El generador Round Hill , el generador Van de Graaff con aislamiento de aire más grande del mundo, completado por el Dr. Van de Graaff en 1933, se exhibe permanentemente en el Museo de Ciencias de Boston . Con dos esferas de aluminio unidas de 4,5 m (15 pies) de diámetro, sostenidas por columnas de 6,7 m (22 pies) de altura, este generador puede alcanzar con frecuencia 2 MV (2 millones de voltios ). Se realizan espectáculos con el generador Van de Graaff y varias bobinas de Tesla dos o tres veces al día. [ 28 ]     

Muchos museos de ciencia, como el Museo Americano de Ciencia y Energía , exhiben generadores Van de Graaff a pequeña escala y aprovechan sus propiedades electrostáticas para crear "rayos" o erizar el vello de las personas. Los generadores Van de Graaff también se utilizan en escuelas y espectáculos de ciencia. [ 29 ]

Comparación con otros generadores electrostáticos

Otras máquinas electrostáticas, como la máquina de Wimshurst o la de Bonetti , funcionan de forma similar al generador de Van de Graaff: la carga se transporta mediante placas, discos o cilindros móviles hasta un electrodo de alta tensión. Sin embargo, en estos generadores, la descarga de corona de las partes metálicas expuestas a altos potenciales y un aislamiento deficiente dan como resultado tensiones más bajas. En un generador electrostático, la velocidad de transporte de carga ( corriente ) al electrodo de alta tensión es muy pequeña. Tras el arranque de la máquina, la tensión 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 la tensión máxima 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 la fuga y la descarga de corona, de modo que el generador de Van de Graaff pueda producir la mayor tensión. Por ello, el diseño de Van de Graaff se ha utilizado en todos los aceleradores de partículas electrostáticos. En general, cuanto mayor sea el diámetro y más lisa sea la esfera, mayor será la tensión que se puede alcanzar. [ 30 ]

Patentes

  • Patente estadounidense 1.991.236 — " Generador electrostático "
  • Patente estadounidense 2.922.905 — " Aparato para reducir la carga de electrones en aceleradores de iones positivos "

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Van de Graaff, RJ; Compton, KT; Van Atta, LC (febrero de 1933). "La producción electrostática de alto voltaje para investigaciones nucleares" (PDF) . Physical Review . 43 (3): 149– 157. Bibcode : 1933PhRv...43..149V . doi : 10.1103/PhysRev.43.149 . Recuperado el 31 de agosto de 2015 .
  2. ↑ Cassiday, Laura (10 de julio de 2014). "Una técnica escalofriante detecta drogas y explosivos en el cuerpo humano" . Science . doi : 10.1126/article.22861 (inactivo el 12 de julio de 2025) . Consultado el 10 de mayo de 2022 .{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo desde julio de 2025 ( enlace )
  3. ↑ Thomson, William (noviembre de 1867). «Sobre un aparato autoaccionado para multiplicar y mantener cargas eléctricas, con aplicaciones a la teoría voltaica» . The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . Serie 4. 34 (231): 391–396 . Consultado el 1 de septiembre de 2015 .
  4. 1 2 3 Gray, John (1890). Máquinas de influencia eléctrica . Londres: Whittaker and Co. págs. 187–190 . 
  5. ↑ Patente estadounidense n.º 776997, Juan GH Burboa, Máquina eléctrica estática , presentada el 13 de agosto de 1903, concedida el 6 de diciembre de 1904.
  6. ↑ Swann, WFG (1928). "Un dispositivo para obtener altos potenciales". Journal of the Franklin Institute . 205 : 828.
  7. 1 2 3 Bromley 1974 , pág. 4.
  8. 1 2 Burrill 1967 , pág. 50.
  9. ↑ Van de Graaff, Robert J.; Compton, Karl T.; Van Atta, Lester C. (1933). "La producción electrostática de alto voltaje para investigaciones nucleares". Physical Review . 43 (3): 149– 157. Bibcode : 1933PhRv...43..149V . doi : 10.1103/PhysRev.43.149 .
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  11. ↑ Bromley 1974 , pág. 9.
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  • Van de Graaff Generator Frequently Asked Questions, Science Hobbyist
  • Illustration from Report on Van de Graaff Generator From "Progress Report on the M.I.T. High-Voltage Generator at Round Hill"Archived 2015-05-09 at the Wayback Machine
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References

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