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Generador de Van de Graaff

 

Dispositivo de Van de Graaff y el comienzo de una teoría absurda de la física

 

La versión anterior de este artículo fue anunciado hace unos años (2009) y todavía se puede encontrar este artículo aquí.

 

 Antecedentes y explicación real

 

 Dispositivo de Van de Graaff (VDG) representa un tema común para cualquier nivel bajo o avanzado libro físico. Un generador VDG es un dispositivo diseñado para crear electricidad estática y hacer que esté disponible para la experimentación. Hay dos variantes de VDG, con o sin potencial aplicado en segundo cepillo.

 

Incluso es un instrumento común, la explicación de la generación de carga no tiene un tratamiento unitario y se diferencia de un libro a otro. Para el VDG sin potencial aplicado complementaria, como referencia, el curso de Berkeley (vol II - Electricidad y Magnetismo) se utiliza. Para VDG con potencial aplicado en un cepillo, el libro ,, actual, campos y partículas "de Francis Bitter, John Wiley and Sons, 1960, Nueva York, se utiliza como referencia.

 

En un dispositivo común VDG (fig. 1), una cinta de seda, u otro material dieléctrico flexibles similares, se está ejecutando más de dos poleas, una de las cuales está rodeado por una esfera metálica hueca. Dispositivos de pequeño tamaño por lo general tienen un cinturón de látex que puede rodar sobre una polea cubierta de fieltro.

 

Dos electrodos en forma de filas en forma de peine de puntos metálicos afilados, están colocados respectivamente cerca de las poleas. Un electrodo está conectado a la esfera, y el otro a un punto nulo o a otra esfera más pequeña.

 

Van der Graaff 01

 

Figura 1. Dispositivo VDG Común

 

La explicación para este dispositivo VDG en curso Berkeley es tan vaga y filosófica y no tiene nada que ver con la realidad experimental.

 

En otros textos se ofrece la siguiente explicación:

 

Cuando el motor está encendido, el rodillo inferior (cargador) comienza a girar la correa. Debido a los diferentes materiales de la correa y el rodillo, el rodillo inferior comienza a construir una carga negativa y la correa construye una carga positiva. El cinturón está cargado positivamente y rodando hacia el rodillo superior y el conjunto de cepillo superior. Los electrones en el cepillo se mueven hasta las puntas de los cables, ya que se sienten atraídos por el cinturón cargado positivamente. Una vez que el aire se rompe, la esfera se carga positivamente. Para el generador VDG, el cinturón es el objeto cargado, la entrega de una carga continua (positivo) a la esfera.

 

Más elaborado dispositivo VDG, usar un alto potencial (positivo o negativo), de aproximadamente 15-20 kV, aplicada en el cepillo inferior como en la fig. 2.

 

Van der Graaff 02

 

Figura 2. Negativo dispositivo DGV potencial

 

La explicación real: si se aplica un alto potencial (15-20 kV) en el cepillo inferior, el aire alrededor de cepillo se ioniza y la carga se inyecta sobre la cinta, que luego los lleva hasta y dentro de la esfera.

 

En internet he encontrado bastante una explicación similar para tal dispositivo VDG modificado de la siguiente manera:

 

Un simple generador de Van de Graaff consta de un cinturón de seda que corre sobre dos poleas, una de las cuales está rodeado por una esfera de metal hueco. Dos electrodos, E1 y E2, en forma de conos puntiagudos están colocados respectivamente cerca de la parte inferior de la polea y el interior de la esfera. E2 está conectado a la esfera, y E1 se hace 10000 voltios positivos con respecto a tierra.

 

Esta alta tensión ioniza el aire en ese punto, repeliendo cargas positivas sobre la cinta y se realizan en el interior de la esfera. Esta carga positiva induce una carga negativa al electrodo E2 y una carga positiva a la esfera (a la que E2 está conectado). La alta diferencia de potencial ioniza el aire dentro de la esfera y las cargas negativas son repelidos sobre la cinta, la descarga de la misma. Como resultado del efecto cubo de hielo de Faraday, carga positiva en E2 migra a la esfera independientemente de la tensión existente de la esfera. Como la cinta continúa moviéndose ronda, la esfera cobra positivo adicional, hasta que la tasa de fuga es igual a la velocidad a la que se induce carga.

 

¿Por qué las explicaciones reales son absurdas?

 

Se acepta que el generador de Van de Graaff funciona simplemente en el principio de triboelectricidad. Cuando dos materiales se frotan o entran en contacto entre sí, un intercambio de electrones ,, "se llevará a cabo en función de sus propiedades triboeléctricas. Cuando se produce una transferencia, el material que se pierde electrones se cargan positivamente y el que ganó electrones se carga negativamente.

 

Triboelectricidad es una característica materia, ello significa cada vez cuando dos materiales se frotan o entran en contacto entre sí, uno de ellos se convertirán ,, positiva "y otro ,, negativo". No hay posibilidades técnicas para cambiar las características de un material y, por ejemplo, un material de nylon frotan sobre el mismo material de teflón para convertirse hoy con carga positiva y mañana con carga negativa.

 

Es una ley de la naturaleza (y no explicados todavía!) Que cada vez que estos dos materiales entran en contacto, cada vez que el mismo tipo de ,, cargos "aparece en un material y opuestos ,, cargos" en el resto del material.

 

Teniendo esta idea de sentido común en mente vamos a analizar de nuevo la figura. 1 con la explicación real de Van der Graaff dispositivo (sin inyección de carga).

 

Consideremos que las poleas son de teflón y la correa es de nylon.

 

La explicación real de Van der Graaff dispositivo contradice evidentemente lo que se conoce acerca de la serie triboeléctrica y el contacto o la electrificación de inducción.

 

Si la correa se carga positivamente como resultado del contacto entre la correa y la polea inferior nylon teflón, y por supuesto estas cargas positivas se recogen en la esfera más grande, es completamente imposible que la misma fricción entre la polea de teflón superior y el cinturón de nylon carga la correa con una carga negativa. De cualquier conocimiento triboeléctrico ya sea una explicación real de Van der Graaf dispositivo es una tontería.

 

La van der Graaff entra en contradicción con lo que se sabe acerca de la electrificación por contacto o influencia también.

 

No es bien conocida evidencia de que cuando un cuerpo sin carga hace contacto con un cuerpo cargado, que tiene una carga Q, la carga sufren redistribución en los dos cuerpos. Por supuesto, como resultado de esta distribución de carga del cuerpo neutral inicial se carga, y el cuerpo cargado inicial, pero permanece cargado que tiene una carga más pequeña como en la fig. 3

 

Van der Graaff 03

 

Figura 3. Contacto de transferencia de carga

 

En la fig. 6, después del contacto, ambos cuerpos están acusados ​​de los mismos cargos si tienen las mismas dimensiones y están hechos del mismo material.

 

Si estos organismos se pagan con el mismo tipo de carga, pero en diferentes cantidades (q y Q), cuando se hace el contacto hay una transferencia de carga desde el mayor hasta el más pequeño cuerpo cargado.

 

Es una regla de sentido común, que en caso de influencia o de los órganos directos de contacto, es imposible transferir un mismo tipo de carga de un cuerpo que lleva una carga menor a otro cuerpo que lleva una carga mayor (fig 4).

 

Van der Graaff 04

 

Figura 4. Imposibilidad de transferencia de carga

 

De acuerdo con esta ,, sentido común "fenómenos de la electrostática, la esfera de dispositivo VDG debe llegar en un ,, happy end" caso a un cargo máximo igual como valor de carga producida por la fricción entre dos superficies. Los cargos ,, "producidos como resultado de la fricción dependen del tipo de superficie de contacto y el material, pero en cualquier caso esta carga es pequeña, del orden de la escala nano culombios.

 

            Como consecuencia, después de unos pocos segundos de VDG de trabajo, la esfera debe llegar, admitiendo una transferencia de 100% de la carga (por inducción o de contacto), a la misma carga que la carga efectiva producido en la fricción entre la correa y el rodillo como en la fig. 13.

 

Van der Graaff 05

 

Figura 13. posible máxima de carga en la esfera

 

            Después de eso, incluso el cinturón siga girando, debido a la igualdad de carga, no hay transferencia o no de inducción pueden tener lugar, porque es imposible montar una pequeña carga sobre otra mayor carga. Como consecuencia de ello, el electromagnetismo real previsto un cargo máximo de la esfera hasta cientos de voltios y en caso de todos estos transferencia o influencia trabajo con un 100% de rendimiento o para el dispositivo de mayor tamaño, pueden aparecer unos pocos miles de voltios ....

 

            ¿Estas predicciones reales encajan con los experimentos? No creo ......

 

3. Absurdidades en VDG con sistema de inyección de carga

 

Si el principio sencillo detrás del generador VDG con inyección de carga está relacionada con un transporte sencillo de carga inyectada en el cinturón, el mismo problema simple debe ser resuelto: ¿Cómo es posible cargar la esfera a un potencial mayor que el potencial de la inyección?

 

El hasta presentó consideraciones son válidas también en este caso, por lo que no es el caso de repetir de nuevo.

 

Como complemento a estos, para los teóricos actuales se puede realizar un experimento sencillo.

 

En lugar de la pulverización de la carga sobre la cinta, y después de que la carga se recoge de nuevo de la cinta y se movía sobre una esfera, un mayor rendimiento y un mayor potencial se puede lograr si la esfera se elimina de VDG y la carga se rocía directamente sobre la esfera como en la fig. 14.

 

Van der Graaff 06

 

Figura 14. Carga de la esterilización y el potencial definitivo

 

   

 

Según la interpretación real, en este caso, cientos de millones de voltios se pueden acumular en la esfera dependiendo de su tamaño y el medio circundante. Nada puede detener un flujo continuo de carga desde el inyector a la esfera ... de acuerdo a la teoría ortodoxa real.

 

La realidad es más simple: En el caso de este experimento simplificada, la esfera llega a un potencial igual con máximo potencial de inyección en caso de contacto o potencial inferior en el caso de la inducción.

 

La explicación propuesta para VDG, descrito en el libro, no se basa en el movimiento de carga por lo que no hay cargas eléctricas (electrones libres o iones positivos) suelen ser generados por la fricción o contacto.

 

Toda una clase de experimentos de física (triboelectricty, electrostática, etc) está dotado de una nueva, simple y coherente explicación.

 

Van de Graaff device and the beginning of an absurd theory of physic

 

The old version of this article was advertised few years ago (2009) and you can still find this article here.

 Background and actual explanation

 Van de Graaff device (VDG) represents a common subject for any low level or advanced physic book. A VDG generator is a device designed to create static electricity and make it available for experimentation. There are two variants of VDG, with or without potential applied on second brush.

Even is a common instrument, the explanation of charge generation does not have a unitary treatment and differs from book to book. For the VDG without supplementary applied potential, as reference, the Berkeley course (vol II - Electricity and Magnetism) is used. For VDG with potential applied on a brush, the book ,,Current, Fields and Particles” by Francis Bitter, John Wiley and Sons, 1960, New York, is used as reference.

In a common VDG device (fig. 1), a belt of silk, or another similar flexible dielectric material, is running over two pulleys, one of which is surrounded by a hollow metal sphere. Small size devices usually have a latex belt which can roll over a felt covered pulley.

Two electrodes in the form of comb-shaped rows of sharp metal points, are positioned respectively near to the pulleys. One electrode is connected to the sphere, and the other to a null point or to another smaller sphere.

Van der Graaff 01

Figure 1 . Common VDG device

The explanation for this VDG device in Berkeley course is so vague and philosophical and has nothing to do with experimental reality.

In other texts the following explanation is provided:

When the motor is turned on, the lower roller (charger) begins turning the belt. Due to the different materials of belt and roller, the lower roller begins to build a negative charge and the belt builds a positive charge. The belt is positively charged and rolling toward the upper roller and upper brush assembly. The electrons in the brush move to the tips of the wires because they are attracted to the positively charged belt. Once the air breaks down, the sphere becomes positively charged. For the VDG generator, the belt is the charged object, delivering a continuous (positive) charge to the sphere.

More elaborated VDG device, use a high potential (positive or negative), of about 15-20 kV, applied on the lower brush as in fig. 2.

Van der Graaff 02

Figure 2. Negative potential VGD device

The actual explanation: if a high potential (15-20 kV) is applied on lower brush, the air around brush becomes ionized and the charge is injected onto the belt, which then carries them up and inside the sphere.

In the internet I have found quite a similar explanation for such modified VDG device as follows:

A simple Van de Graaff generator consists of a belt of silk running over two pulleys, one of which is surrounded by a hollow metal sphere. Two electrodes, E1 and E2, in the form of sharply pointed cones are positioned respectively near to the bottom of the pulley and inside the sphere. E2 is connected to the sphere, and E1 is made 10,000 volts positive with respect to earth.

This high voltage ionises the air at that point, repelling positive charges onto the belt and they are carried up inside the sphere. This positive charge induces a negative charge to the electrode E2 and a positive charge to the sphere (to which E2 is connected). The high potential difference ionises the air inside the sphere and negative charges are repelled on to the belt, discharging it. As a result of Faraday's ice pail effect, positive charge on E2 migrates to the sphere regardless of the sphere's existing voltage. As the belt continues to move round, the sphere charges further positive, until the rate of leakage equals the rate at which charge is induced.

Why the actual explanations are absurd?

It is accepted that Van De Graaff generator works simply on the principle of triboelectricity. When two materials are rubbed or come into contact together, an ,,exchange of electrons” can take place depending on their triboelectric properties. When such a transfer occurs, the material that lost electrons will become positively charged and the one that gained electrons becomes negatively charged.

Triboelectricity is a material characteristic, this means each time when two material are rubbed or come into contact together, one of them will become ,,positive” and another ,,negative”. There are no technical possibilities to change the characteristics of a material and for example a nylon material rubbed over the same Teflon material to become today positively charged and tomorrow negatively charged.

It is a law of nature (and not explained yet !) that each time when  these two materials come into contact, each time the same type of ,,charges” appear  on one material  and opposite ,,charges “ on the other material.

Having this common sense idea in mind let us analyze again fig. 1 with actual explanation for Van der Graaff device (without charge injection).

Let us consider that pulleys are from Teflon and belt is from nylon.

The actual explanation of Van der Graaff device contradicts evidently what is known about triboelectric series and contact or induction electrification.

If the belt becomes positively charged as result of contact between nylon belt and lower teflon pulley, and of course these positive charges are collected on the bigger sphere, it is completely impossible that the same friction between upper teflon pulley and the nylon belt charges the belt with a negative charge. Either triboelectric knowledge either actual explanation for Van der Graaf device is a nonsense.

The van der Graaff comes into contradiction with what is known about electrification by contact or influence too.

There is well known evidence that when an uncharged body makes contact with a charged body, having a charge Q, the charge suffer redistribution over the both bodies. Of course as result of this charge distribution the initial neutral body becomes charged, and the initial charged body, remains charged but having a smaller charge as in fig. 3

Van der Graaff 03

Figure 3. Contact charge transfer

In fig. 6, after contact, both bodies are charged with the same charge if they have the same dimensions and are made from the same material.

If these bodies are charged with the same type of charge, but in different amount (q and Q), when contact is made there is a transfer of charge from the greater to the smaller charged body.

It is a common sense rule, that in case of influence or direct bodies contact, it is impossible to transfer a same type of charge from a body carrying a smaller charge to another body carrying a greater charge (fig 4).

Van der Graaff 04

Figure 4. Impossibility of charge transfer

According to this ,,common sense” phenomena of electrostatic, the sphere of VDG device should arrive in a ,,happy end” case to a maximum charge equal as value with charge produced by friction between two surface. The ,,charges” produced as result of friction depend on the contact surface and material type, but in any case this charge is small, on the order of nano coulombs scale.

            As consequence, after few second of VDG working, the sphere should arrive, admitting a 100% transfer of charge (by induction or contact), to the same charge as the effective charge produced in friction between belt and roller as in fig. 13. 

Van der Graaff 05

Figure 13. Maximum possible charge on sphere

            After that, even the belt continue to rotate, due to equality of charge, no transfer or no induction can take place, because it is impossible to mount a small charge over another greater charge. As consequence, actual electromagnetism foreseen a maximum charge of sphere up to hundreds of Volts and in case all these transfer or influence work with a 100% yields or for bigger size device, few thousands of Volts can appear ….

            Do these actual predictions fit with experiments? I don’t think so......

 

3. Absurdities in VDG with charge injection system

If  the straightforward principle behind the VDG generator with charge injection is  related to a simple transport of charge injected on the belt, the same simple problem  must be solved: How is possible to charge the sphere to a potential greater then injection potential?

The up presented considerations are valid in this case too, so it is not the case to repeat them again.

Supplementary to these, for actual theoreticians a simple experiment can be performed.

Instead of spraying the charge on the belt, and after that the charge is again collected from the belt and moved on a sphere, a greater yield and a higher potential can be achieved if the sphere is removed from VDG and the charge is sprayed directly on the sphere as in fig. 14.

Van der Graaff 06

Figure 14. Charge spaying and final potential

   

According to actual interpretation, in this case,  hundreds of millions Volts can accumulate on the sphere depending on its size and the surrounding medium. Nothing can stop a continuous flow of charge from injector to the sphere … according to actual orthodox theory.

The reality is simpler: In case of this simplified experiment, the sphere arrives to a maximum potential equal with injection potential in case of contact or lower potential in case of induction.

The proposed explanation for VDG, described in the book, is not based on charge movement as far as no electric charges (free electrons or positive ions ) are usually generated by friction or contact.

An entire class of physics experiments (triboelectricty, electrostatic, etc) is provided with a new, simple and consistent explanation. 

© 2017 All Rights Reserved Coșofreț Sorin Cezar

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