¡Revelamos el misterio del “¡Zas!”! Los secretos asombrosos del generador Van de Graaff de 150,000 voltios al descubierto.
Soy Ken Kuwako, Entrenador de Ciencias. ¡Cada día es un experimento!
Cuando llega el invierno, ¿no les ha pasado que al tocar el pomo de una puerta sienten un doloroso “¡Zas!” o que al quitarse un suéter escuchan un crepitar? Todo esto es obra de la “electricidad estática”, esa propiedad de los materiales para acumular carga eléctrica. Hoy les voy a presentar un aparato científico un tanto sospechoso, pero absolutamente fascinante, que nos permite generar y, supuestamente, ¡controlar! esta electricidad estática a nuestro antojo.
¿Controlar el “¡Zas!”? El misterioso globo de Van de Graaff
El aparato se llama Generador de Van de Graaff. ¿Alguna vez han estado en un laboratorio de ciencias o un museo y han visto a alguien tocar una esfera plateada, haciendo que su pelo se erice de forma espectacular? Pues, ¡ese mismo es! Este nombre un poco difícil de recordar viene de su inventor, el doctor Robert Jemison Van de Graaff.
Lo más curioso es que este invento no fue creado originalmente como un juguete para clases de ciencia. El doctor Van de Graaff lo desarrolló como parte de un “acelerador de partículas”, una máquina de alto voltaje diseñada para bombardear núcleos atómicos con partículas a gran velocidad. Es decir, ¡nació como una herramienta de investigación de vanguardia para explorar el mundo atómico! (Si les interesa, busquen “Acelerador de Van de Graaff” para que vean lo impresionante que era su propósito original).
(Por cierto, aquí les cuento sobre el mecanismo del “Elekiter”, el generador de electricidad estática del Período Edo en Japón).
¡El Mundo de los 150.000 Voltios!
El modelo que tengo yo es un Generador de Van de Graaff de NALICA. ¡Es capaz de generar hasta 150.000 voltios! (Lo compré a escondidas de mi familia, pero con este tamaño… ¡me pillaron enseguida!).
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Escuchar 150.000 voltios puede hacerles pensar: “¡Peligro de electrocución!”, pero aunque el voltaje (voltios) de la electricidad estática sea alto, la cantidad de corriente (amperios) es ínfima, así que, aunque sintamos el “chispazo”, no supone un peligro grave (¡claro, si tienen problemas cardíacos o marcapasos, tengan mucho cuidado!). Normalmente, los experimentos de estática solo funcionan bien en los días secos de invierno, pero como este aparato es tan potente, ¡podemos hacer chispazos incluso en días de alta humedad!
Con el Van de Graaff podemos hacer experimentos como erizar el pelo o almacenar electricidad para luego provocar una descarga. Por ejemplo, si tocan el generador, el cuerpo acumula la carga y al acercar un dedo a algo, ¡sentirán el “chispazo” de la descarga! Si aprovechamos bien este mecanismo, ¡se pueden hacer muchísimos experimentos geniales con estática!
¿Sorprendentemente Simple? El “Interior” del Van de Graaff
Aunque el Van de Graaff parezca un artilugio de “científico loco”, ¿qué hay realmente dentro? La verdad es que esta esfera se puede abrir fácilmente. ¡Echemos un vistazo a su interior!
¿Sorprendidos? ¡Sí, solo hay una especie de cinta transportadora dentro! Si revisamos las especificaciones en la web del Van de Graaff de NALICA que tengo, encontramos:
Genera electricidad estática mediante un rodillo de correa de goma que se conduce a la cúpula (esfera colectora), donde se almacena para producir alto voltaje electrostático.
● Voltaje generado: Máximo aprox. 150.000V ● Distancia de descarga (aprox.): Máximo 110mm (con 40% de humedad), 60mm o más en época de lluvias (valor real medido) ● Esfera colectora: φ aprox. 215mm ● Esfera de descarga: φ aprox. 115mm ● Fuente de alimentación: AC100V 50/60Hz ● Tamaño: Aprox. 270×210×620mm (esfera colectora), Aprox. 150×130×490mm (esfera de descarga) ● Peso: Aprox. 5.6kg
¡El Corazón del Van de Graaff! El Asombroso Mecanismo de “Transporte” Eléctrico
El principio del Van de Graaff se puede resumir en una frase: “Crear electricidad por fricción, transportarla con una correa y acumularla en la esfera”. Al abrir la esfera, vimos la correa de goma y dos rodillos, uno arriba y otro abajo. ¡El gran secreto del Van de Graaff es que los dos rodillos están hechos de materiales diferentes! Veamos paso a paso el proceso, desde que se enciende el interruptor hasta que se acumula la carga, siguiendo el movimiento de la cinta transportadora.
① [Abajo] Fricción para “Crear” Electricidad (Generación de carga negativa)
Al encenderse la cinta transportadora, la correa de goma roza fuertemente contra el rodillo inferior A (hecho de resina acrílica). Los materiales tienen una secuencia de propiedades, llamada “serie triboeléctrica”, que determina si tienden a cargarse positiva o negativamente al ser frotados.
En el caso del caucho y la resina acrílica, la resina acrílica tiende a cargarse positivamente y el caucho, negativamente. Esto significa que carga eléctrica negativa (electrones) salta de la resina acrílica a la correa de goma. Como resultado, la correa de goma se carga negativamente (－).
② [Ascenso] Transporte para “Almacenar” Electricidad (Hacia la esfera)
La correa de goma, cargada con la electricidad negativa (－), sube rápidamente como una cinta transportadora. Al llegar a la “placa colectora” metálica dentro de la esfera superior, la carga negativa (electrones) que trae la correa se transfiere a la placa colectora en una especie de descarga. Como los electrones pueden moverse libremente dentro del metal, se extienden y se acumulan instantáneamente por toda la esfera.
③ [Arriba] Fricción para “Reiniciar” la Electricidad (Generación de carga positiva)
La correa de goma, ahora “vacía” de carga, da la vuelta y comienza a descender. Esta vez, roza contra el rodillo superior B (hecho de resina de cloruro de vinilo). ¡Aquí vuelve a entrar en juego la “serie triboeléctrica”! El cloruro de vinilo tiene una propiedad de cargarse “más negativamente” que el caucho. Entonces, al contrario que antes, la carga negativa (electrones) es arrebatada de la correa de goma por el cloruro de vinilo. Al perder electrones, la correa de goma se carga relativamente positivamente (＋).
④ [Descenso] Transporte de la Carga Opuesta (Hacia la base)
La correa cargada positivamente (＋) desciende y, al llegar a la otra placa colectora en la parte inferior, transfiere la carga positiva. Esta carga positiva se acumula en el soporte (la base) del Van de Graaff.
⑤ [Repetición] Y así se llega al Alto Voltaje…
La correa toca el rodillo inferior A (resina acrílica) y vuelve al paso ①, a cargarse negativamente (－). Este ciclo de “① Transportar carga negativa → ② Acumular en la esfera → ③ Transportar carga positiva → ④ Acumular en la base” se repite a gran velocidad gracias al motor.
Como resultado, en la esfera superior se acumula una gran cantidad de carga negativa (－) y en la base, carga positiva (＋). Al reunirse una gran cantidad de cargas negativas y positivas en lugares separados, se crea una fuerza muy intensa (voltaje) entre ellas, lo que resulta en los 150.000 voltios.
La electricidad estática demuestra que no solo basta con frotar, sino que combinando la “elección de los materiales” con un “mecanismo de transporte”, ¡se puede generar una energía tan potente! ¡Pura sabiduría científica!
Un error común es pensar que los electrones vienen del enchufe, pero no es así. El mecanismo es sorprendentemente simple. La corriente del enchufe solo se usa para mover el motor; la electricidad en sí se crea por “fricción”.
Aquí se explica el mecanismo con más detalle, si desean verlo.
¡Experimento! ¿La Esfera se Carga con + o con －?
¡Hay que comprobarlo! Así que investigué con qué carga, positiva o negativa, se queda la esfera superior de este generador de estática.
https://youtu.be/1u3j8XRYNRg
Usaré un globo. 
Al frotar un globo con papel de seda, este se carga negativamente
Los materiales tienen carga eléctrica “+” y “－”, y al frotar diferentes materiales, los electrones (carga negativa) tienden a moverse. Entre el globo y el papel de seda, los electrones se mueven del papel al globo, por lo que el globo se carga negativamente.
Ahora, acerquemos este globo negativo al Van de Graaff encendido. El que yo uso es el modelo de NALICA. Enciendo el interruptor y acerco el globo…
Al soltarlo, se repelió.
¡El globo se repelió con éxito! Recuerden la regla básica de la ciencia: “Las cargas del mismo tipo (－ con －, o ＋ con ＋) se repelen, y las cargas de diferente tipo (＋ con －) se atraen”. Si el globo negativo fue repelido, ¡esto nos confirma que la esfera de este Van de Graaff también está acumulando carga negativa!
[Aplicación] ¿Se “Escapa” la Electricidad? La Maravilla de la Inducción Electrostática
Aquí viene lo interesante: Apagamos el Van de Graaff y tocamos la esfera para descargarla (la electricidad “escapa”). Se supone que la esfera queda en un estado “neutro”, sin carga (+ ni -). Entonces, ¿qué pasará si acercamos el globo negativo a esta esfera “vacía”?
¡Increíble! El globo fue atraído. Es extraño, ¿verdad? Se supone que la esfera está “vacía”, entonces, ¿por qué atrae al globo negativo (es decir, por qué muestra una cualidad positiva)? Este es uno de los fenómenos más interesantes de la electricidad estática: la “inducción electrostática”.
La esfera es de “metal”. Dentro de los metales hay una gran cantidad de carga negativa (electrones libres) que pueden moverse. Cuando el globo negativo se acerca… los electrones libres dentro del metal gritan: “¡Ay, viene la carga negativa!” y huyen hacia el lado más alejado del globo (en esta foto, el lado que estoy tocando yo).
La carga negativa se mueve al lado opuesto de la esfera (los electrones podrían estar escapando a través de mi cuerpo)
Como resultado, el lado cercano al globo queda en un estado “positivo” porque perdió electrones. Por eso, atrae al globo negativo. Este es el mismo principio por el cual el pelo, frotado con una regla, se adhiere a una pared que supuestamente no tiene carga eléctrica.
La Electricidad Estática es un Tesoro de “¿Por Qués?”
Es un detalle simple, pero el movimiento del globo cambia de “repulsión” a “atracción” cuando el interruptor pasa de ON a OFF. Reflexionar sobre el porqué de estos fenómenos cotidianos es la profundidad de los experimentos de estática y la esencia de lo fascinante que es la ciencia.
Cuando sientan ese “¡Zas!” en invierno, es la prueba de que un electrón (carga negativa) ha saltado de ustedes a algo, o viceversa. Pensar: “Ah, un electrón se acaba de mover” puede hacer el momento un poco más divertido.
¡¡Experimentos Geniales que se Pueden Hacer con el Generador de Electricidad Estática (Van de Graaff)!!
También he publicado experimentos divertidos usando el Van de Graaff. Estos incluyen los que hice en un programa de televisión con famosos. Pueden ver más detalles aquí.
※ Por favor, los experimentos con el Generador de Electricidad Estática (Van de Graaff) deben hacerse siempre bajo la supervisión de un experto. Háganlo con precaución. Para solicitudes de experimentos de estática (clases de experimentos, supervisión o aparición en TV, etc.), pueden contactarme aquí.
[Especial] ¡No podrás parar! Experimentos de Electricidad Estática
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