domingo, 1 de febrero de 2009

Explicacion Fisica de la jaula de Faraday, el generador de Van der graff y el electroscopio.

Jaula de Faraday

Una jaula de Faraday es una pantalla eléctrica , una superficie conductora que rodea un espacio hueco, es decir un recinto cerrado formado por cubiertas metálicas o por un enrejado de mallas apretadas que impide en el interior la influencia o perturbaciones producidas por campos eléctricos externos

El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, y por tanto se anulen todos los efectos de los campos. Dicho efecto jaula se pone de manifiesto en numerosas situaciones de la vida cotidiana. Por ejemplo, es el responsable de que no funcionen bien los móviles en el interior de muchos ascensores, o dentro de un edificio con estructura de rejilla de acero. Una “jaula de Faraday” es un recinto cerrado formado por cubiertas metálicas o por un enrejado de mallas apretadas que impide en el interior la influencia de los campos eléctricos exteriores.

En otras palabras es un volumen cerrado diseñado para excluir campos magnéticos, siendo usada como una aplicación de la ley de Gauss. La ley de Gauss describe las distribuciones de carga en un volumen conductor, como puede ser una esfera, un cilindro, un toroide, etc. Intuitivamente como las cargas de un mismo signo se repelen, entonces éstas van a emigrar hacia la superficie. Para demostrar esta aplicación, el físico Michael Faraday construyó la famosa caja en 1836 para demostrar la ley de Gauss, siendo el científico que describió los conceptos involucrados en las ecuaciones de Maxwell. El postulado de Faraday sostiene que las cargas en un conductor, sólo se sitúan en la superficie de éste, no teniendo influencia en el interior del cuerpo. Para demostrar el postulado, construyó una habitación cubierta con una capa de metal (que es conocida como la caja de Faraday), permitiendo que descargas de alto voltaje desde un generador electroestático incidieran en la parte de exterior de la habitación. En el interior de la habitación se introdujo un electroscopio (que es un dispositivo que sirve para medir la carga eléctrica), para mostrar que no había carga eléctrica en el interior. efecto estipulado en el postulado de Faraday: " Toda la electricidad va hacia la superficie libre de los cuerpos sin producirse difusión en el interior".
Se sigue usando en electrónica y los técnicos la llaman "blindaje"La ley de Faraday de la electrostática dice que: "El flujo de campo electrostático que afravieza una superficie cerrada es proporcional a la carga neta que se encuentra en el interior de dicha superficie."

La aplicación de esta caja, es usada para eliminar los efectos de los campos eléctricos en los volúmenes, por ejemplo para proteger a los equipos electrónicos de cortes de luz, así como de otras descargas electroestáticas. Una caja de Faraday es conocida también como el escudo de Faraday, terminología que se emplea para referirse para cualquier tipo de escudo electroestático.

Generador de Van der graff

El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo.
Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas.

Funcionamiento

su funcionamiento se divide en 2 partes:

  1. inferior (polarizacion)
  2. superior (descarga)
Parte inferior:

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa (escala triboelectrica).
El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del “peine” metálico.
El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la banda, ioniza el aire.
Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma.El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento electrico negativo El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa .
Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado.
La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo.Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las del cilindro, pero estas no intervienen en los procesos de carga de la esfera.
Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie.

Parte superior

Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correa. El peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.
Un generador de Van der Graff no funciona en el vacío.La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa.El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.
El campo creado en el “peine” por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con moléculas de aire. Las partículas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento eléctrico positivo). Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada.El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa.
Por el efecto Faraday (que explica el por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

Principios en que se basa el GVG


  • Electrización por frotamiento -triboelectricidad-
  • Faraday explicó la transmisión de carga a una esfera hueca. Cuando se transfiere carga a una esfera tocando en su interior, toda la carga pasa a la esfera porque las cargas de igual signo sobre la esfera se repelen y pasan a la superficie externa. No ocurre lo mismo si tratamos de pasarle carga a una esfera (hueca o maciza) tocando en su cara exterior con un objeto cargado. De esta manera no pasa toda la carga.
  • Inducción de carga(efecto de puntas): ionización


Electroscopio

Un electroscopio es un instrumento antiguo utilizado para detectar carga y medir potencial eléctrico, que posee un cuerpo. Clásicamente el electroscopio se construyó a partir de dos placas muy delgadas de material conductor unidas entre sí. Si la parte superior se pone en contacto ( también es posible cargar un electroscopio por inducción) con un conductor cargado, las delgadas hojas de metal (laminas de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el conductor. La carga en las hojas será proporcional a la diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus cargas idénticas, puede medirse observando el valor de la desviación de una escala, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. Para lograr la deflexión de estas placas se necesita una cantidad apreciable de carga así como un rodamiento eficaz entre las placas. Estas condiciones no siempre son fáciles de solventar por lo que motivó una nueva manera de estimar esas cargas mediante el empleo de dispositivos electrónicos muy sensibles.


Adrian Fernandez Cabrera

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