Generador Van de Graaff
Un generador Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una correa en movimiento para acumular carga eléctrica en un globo de metal 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. La diferencia de potencial alcanzada por los generadores modernos de Van de Graaff 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. 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.
El generador Van de Graaff se desarrolló originalmente como un acelerador de partículas para la investigación física, ya que su alto potencial se puede utilizar 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.
El voltaje producido por una máquina 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 alrededor de 25 MV.
Historia
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Antecedentes
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), en el que gotas cargadas de el agua cae en un balde con la misma carga de polaridad, añadiéndose a la carga. En una máquina de este tipo, la fuerza gravitacional mueve las gotas contra el campo electrostático opuesto del balde. El mismo Kelvin primero sugirió usar un cinturón 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. Usó una correa de goma india con anillos de alambre a lo largo 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 por inducción electrostática utilizando una placa cargada. John Gray también inventó una máquina de correa alrededor de 1890. Otra máquina de correa más complicada fue inventada en 1903 por Juan Burboa. Una inspiración más inmediata para Van de Graaff fue un generador que W. F. G. Swann estaba desarrollando en la década de 1920 en el que la carga se transportaba a un electrodo al caer. bolas de metal, volviendo así al principio del gotero de agua Kelvin.
Desarrollo inicial
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. La primera máquina usaba una lata común, un motor pequeño y una cinta de seda comprada en una tienda de cinco centavos. Después de eso, fue al presidente del departamento de física para solicitar $100 para hacer una versión mejorada. Consiguió el dinero, con cierta dificultad. Para 1931, pudo reportar haber alcanzado 1,5 millones de voltios y dijo: "La máquina es simple, económica y portátil". Un portalámparas ordinario proporciona la única energía necesaria." 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.
Van de Graaff solicitó una segunda patente en diciembre de 1931, que se asignó al Instituto Tecnológico de Massachusetts a cambio de una parte de los ingresos netos; más tarde se concedió la patente.
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 H. R. Green. Una consecuencia de la ubicación de este generador en un hangar de aeronaves fue el 'efecto paloma': formación de arco debido a los excrementos acumulados en la superficie exterior de las esferas.
Máquinas de mayor energía
En 1937, la empresa 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. Fue dado de baja en 1958 y parcialmente demolido en 2015. (El recinto se colocó de lado por razones de seguridad)
Un desarrollo más reciente es el acelerador tándem Van de Graaff, que contiene uno o más generadores Van de Graaff, en los 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 aceleró de nuevo. Un ejemplo de una operación de tres etapas se construyó en el Laboratorio Nuclear de Oxford en 1964 de un 'inyector' de un solo extremo de 10 MV; y un tándem EN de 6 MV.
En la década de 1970, se podían lograr hasta 14 MV en la terminal de un tándem que usaba un tanque de gas hexafluoruro de azufre (SF6) a alta presión para evitar chispas al atrapar 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 tándem en la instalación de haz de iones radiactivos de Holifield en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
Un desarrollo adicional es el Pelletron, 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 de aire se reemplazan por un rodillo conectado a tierra y un electrodo de carga inductivo. La cadena se puede operar 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 Pelletron de 15 MV. Sus cadenas miden más de 20 m de largo y pueden viajar a más de 50 km/h (31 mph).
La Instalación de Estructura Nuclear (NSF) en el Laboratorio Daresbury se propuso en la década de 1970, se puso en marcha en 1981 y se abrió para experimentos en 1983. Consistía en un generador tándem Van de Graaff que operaba de forma rutinaria a 20 MV, alojado en un edificio distintivo 70 m de altura. Durante su vida útil, 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 súper deformados. 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 la velocidad proporcionó información detallada sobre la estructura interna del núcleo. Tras los recortes financieros, la NSF cerró en 1993.
Descripción
Un generador de Van de Graaff simple consta de una correa de caucho (o un material dieléctrico flexible similar) que se mueve sobre dos rodillos de diferentes materiales, uno de los cuales está rodeado por una esfera metálica hueca. Un electrodo de metal 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 usa un motor para accionar la correa, el efecto triboeléctrico provoca la transferencia de electrones desde los diferentes materiales de la correa y los dos rodillos. En el ejemplo que se muestra, la goma de la correa se cargará negativamente mientras que el vidrio acrílico del rodillo superior se cargará positivamente. La correa se lleva carga negativa en su superficie interna mientras que el rodillo superior acumula carga positiva.
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 al peine. En el peine son neutralizados por electrones del metal, dejando así el peine y la capa exterior unida (1) con menos electrones netos y una carga neta positiva. 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 correa provoca una mayor inducción electrostática, que puede acumular grandes cantidades de carga en la carcasa. La carga continuará acumulándose hasta que la tasa de carga que sale de la esfera (a través de fugas y descarga de corona) sea igual a la tasa a la que la correa transporta nueva carga a la esfera.
Fuera de la esfera terminal, se genera un alto campo eléctrico debido al alto voltaje en la esfera, lo que evitaría 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 agregar cargas continuamente desde el interior sin necesidad de superar todo el potencial de la capa exterior.
Cuanto más grande sea la esfera y cuanto más lejos esté del suelo, mayor será 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 mediante el uso de una fuente de voltaje para cargar el cinturón directamente, en lugar de confiar únicamente en el 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 lograr mayores potenciales sin ionización del aire u otro gas dieléctrico que lo rodea. Dado que un generador 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 Emax en el que comienzan a formarse las descargas de corona dentro del gas circundante. Para aire a temperatura y presión estándar (STP), el campo de desglose es de aproximadamente 30 kV/cm. Por lo tanto, se podría esperar que un electrodo esférico pulido de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro desarrolle un voltaje máximo Vmax = R·Emáx de aproximadamente 450 kV. Esto explica por qué los generadores de Van de Graaff a menudo se fabrican con el mayor diámetro posible.
Utilizar como acelerador de partículas
La motivación inicial para el desarrollo del generador Van de Graaff fue como una fuente de alto voltaje para acelerar partículas para experimentos de física nuclear. La gran diferencia de potencial entre la superficie del terminal y tierra da como resultado un campo eléctrico correspondiente. Cuando una fuente de iones se coloca cerca de la superficie de la esfera (típicamente 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.
Aceleradores en tándem
Los aceleradores de Van de Graaff de haz de partículas se utilizan a menudo en un "tándem" La configuración con el terminal de alto potencial se encuentra en el centro de la máquina. Los iones cargados negativamente se inyectan en un extremo, donde son acelerados por la fuerza de atracción hacia la terminal. Cuando las partículas alcanzan la terminal, se les quitan algunos electrones para que se carguen positivamente y, posteriormente, son aceleradas por fuerzas repulsivas que las alejan de la terminal. Esta configuración da como resultado dos aceleraciones por el costo de un generador Van de Graaff y tiene la ventaja añadida de dejar accesible la complicada instrumentación de la fuente de iones cerca del potencial de tierra.
Peletrones
El pelletron es un estilo de acelerador en tándem diseñado para superar algunas de las desventajas de usar una correa para transferir carga a la terminal de alto voltaje. En el pelletron, el cinturón se reemplaza con "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 a la 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.
Generadores de entretenimiento y educación
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El generador Van de Graaff con aislamiento de 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) 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, tienen en exhibición generadores Van de Graaff a pequeña escala y explotan sus cualidades de producción de estática para crear "relámpagos" o poner el pelo de punta a la gente. Los generadores Van de Graaff también se utilizan en escuelas y espectáculos científicos.
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 moviendo placas, discos o cilindros a un electrodo de alto voltaje. Para estos generadores, sin embargo, la descarga de corona de las partes metálicas expuestas a altos potenciales y un aislamiento más 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. Una vez 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 gran electrodo esférico hueco. Esta es la forma ideal para minimizar las fugas y las descargas de corona, de modo que el generador Van de Graaff pueda producir el mayor voltaje. Esta es la razón por la que se ha utilizado el diseño de Van de Graaff para todos los aceleradores de partículas electrostáticas. En general, cuanto mayor sea el diámetro y más suave sea la esfera, mayor será el voltaje que se puede lograr.
Patentes
- U.S. Patent 1,991,236 - "Generador electrostático"
- U.S. Patent 2,922,905 - "Aparato para la reducción de electrones Cargando en aceleradores positivos"
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