Es Importante aclarar que el generador de Van de Graff en su concepto de funcionamiento no es de mi propiedad, sin embargo el diseño y construcción que se le dio a este prototipo experimental si es propio ya que el concepto que se manejo fue el de elaborar una maquina sencilla de fácil reproducción y de ajustes mínimos, tratando de optimizar de la mejor manera todos elementos que lo componen, para que éste sea un dispositivo funcional a un muy bajo costo. De esta forma se logra que cualquier persona que quiera hacer investigación en cuanto a los problemas que causa la carga estática tanto en la vida cotidiana como en las zonas de riesgo donde la estática es un prejuicio que puede ocasionar daños graves, lo pueda hacer como lo es en el caso donde se labore con líquidos inflamables y halla un riesgo inminente de sobrecargas estáticas. Se busca que las personas sientan un interés y se motiven a hacer investigaciones científicas que beneficien al desarrollo de nuevas tecnologías que buscan la solución a una problemática puntual.
El desarrollo del prototipo generador de Van de Graff no fue una tarea fácil y es ahí donde se entra a juzgar los conceptos y las teorías de los demás personas, es un dispositivo que requiere de una excelente precisión y sincronización de todas sus elementos que lo componen, donde la elección o sincronización inadecuada de tan solo un elemento hace que la maquina en su totalidad no funcione adecuadamente.
Es relevante hacer notar que las estructuras sobredimensionadas no siempre son las que generan resultados más óptimos y esto se puede validar en ésta investigación, en la cual se logra construir un generador de Van de Graff con materiales o suministros de baja complejidad y fácil adquisición.
GVDG Y ELECTROSCOPIO DIGITAL
► Conclusiones Electroscopio Digital
El Electroscopio Digital permite visualizar un valor numérico aproximado del voltaje estático almacenado, el cual fue logrado gracias a un acople de alta impedancia utilizado llamado sonda de alto voltaje.
La implementación del sensor de voltaje estático a través de un dispositivo FET mostro excelentes respuestas en cuanto al comportamiento de su linealidad gracias a la polarización que se le dio (Auto polarización), mostrando una buena sensibilidad al cambio de voltaje de acuerdo a la distancia de medición; como también la respuesta al ser introducido en la presencia de un campo estático. Sin embargo su acople de impedancia de entrada no resulto ser lo suficiente mente alta como para soportar una descarga estática, no obstante al introducirse en el campo estático mostraba más empatía con el campo y no producía una descarga instantánea en el Generador de Van de Graff, esto a distancias mayores de 3 cm con respecto a la Esfera Recortada; a distancias menores producía descarga instantánea causando averías en el sistema de acople de alta impedancia del sensor.
A pesar de que la teoría indica que un JFET tiene en la práctica una impedancia de entrada de (1000M ), el circuito de acople de alta impedancia diseñado no fue suficiente para soportar una descarga producida por el prototipo experimental generador de Van de Graff. Es muy importante hacer saber que en las configuraciones en las que se logro colocar a trabajar en la zona lineal al Fet K104, su polarización fue basada en las curvas características de un transistor de referencia MPF104 puesto que su hoja de características no fue posible localizarla.
La sonda de alto voltaje gracias a su arreglo resistivo pudo garantizar una impedancia de entrada aproximada de 280MΩ, lo cual permitió un acoplamiento seguro del voltaje para ser llevado a las etapas de acondicionamiento y tratamiento de señal para poder visualizar un voltaje aproximado del generador de Van de Graff en una pantalla de cristal liquido LCD del electroscopio Digital.
La calibración inicial del equipo ha sido realizada teniendo en cuenta condiciones ideales del generador de Van de Graff, basándose en modelos matemáticos que describen su comportamiento y valores característicos en cuanto al voltaje y carga almacenada.
La implementación del sensor de voltaje estático a través de un dispositivo FET mostro excelentes respuestas en cuanto al comportamiento de su linealidad gracias a la polarización que se le dio (Auto polarización), mostrando una buena sensibilidad al cambio de voltaje de acuerdo a la distancia de medición; como también la respuesta al ser introducido en la presencia de un campo estático. Sin embargo su acople de impedancia de entrada no resulto ser lo suficiente mente alta como para soportar una descarga estática, no obstante al introducirse en el campo estático mostraba más empatía con el campo y no producía una descarga instantánea en el Generador de Van de Graff, esto a distancias mayores de 3 cm con respecto a la Esfera Recortada; a distancias menores producía descarga instantánea causando averías en el sistema de acople de alta impedancia del sensor.
A pesar de que la teoría indica que un JFET tiene en la práctica una impedancia de entrada de (1000M ), el circuito de acople de alta impedancia diseñado no fue suficiente para soportar una descarga producida por el prototipo experimental generador de Van de Graff. Es muy importante hacer saber que en las configuraciones en las que se logro colocar a trabajar en la zona lineal al Fet K104, su polarización fue basada en las curvas características de un transistor de referencia MPF104 puesto que su hoja de características no fue posible localizarla.
La sonda de alto voltaje gracias a su arreglo resistivo pudo garantizar una impedancia de entrada aproximada de 280MΩ, lo cual permitió un acoplamiento seguro del voltaje para ser llevado a las etapas de acondicionamiento y tratamiento de señal para poder visualizar un voltaje aproximado del generador de Van de Graff en una pantalla de cristal liquido LCD del electroscopio Digital.
La calibración inicial del equipo ha sido realizada teniendo en cuenta condiciones ideales del generador de Van de Graff, basándose en modelos matemáticos que describen su comportamiento y valores característicos en cuanto al voltaje y carga almacenada.
► Conclusiones Generador de Van de Graff
Después de un extenso diseño y análisis de requerimientos necesarios para llevar a cabo un óptimo funcionamiento del Generador de Van de Graff se concluye que la estructura que optimiza un funcionamiento continuo del generador de Van de Graff es la estructura esférica conductora; debe tener forma simétrica y no debe presentar ángulos en su estructura de 90 grados, puntas o resaltos sobre salientes.
El voltaje almacenado en la estructura esférica recortada es proporcional al radio de la esfera.
El tiempo de carga de la Esfera Recortada es proporcional a la velocidad del motor.
La estructura del cuerpo Tubular elaborada en tubo de PVC aguas lluvias de 2¨ presenta deformación después de un uso prolongado en las perforaciones que soportan los rodamientos de los ejes de los rodillos Superior e Inferior, debido al calentamiento que generan los rodamientos al girar a altas revoluciones. Se encontró una solución óptima al ser remplazado el tubo de PVC aguas lluvia por uno de presión.
El prototipo desarrollado Generador de Vann de Graff genera voltajes más elevados en los días soleados.
El Generador Van de Graff experimental presenta pérdidas y debilidad del campo estático debido a la misma naturaleza y fabricación empírica de los materiales que lo conforman. La Esfera Recortada presenta pérdidas de campo en la unión donde las dos tapas se juntan para formarla y en los ganchos que las unen.
Por efectos de fricción y calentamiento de los rodillos superior e inferior, éstos tienden a un desgaste continuo, haciendo necesario un constante mantenimiento.
Se observa una mejor respuesta en cuanto a la carga de la Esfera Recortada cuando los rodillos superior e inferior están rozando continuamente la banda transportadora, debido a que hay menos aire entre éstos, claramente el roce continuo genera desgaste y ruptura de los materiales por lo cual se determina dejar una distancia de 1 cm de separación para garantizar la vida útil del Generador de Van de Graff.
El voltaje almacenado en la estructura esférica recortada es proporcional al radio de la esfera.
El tiempo de carga de la Esfera Recortada es proporcional a la velocidad del motor.
La estructura del cuerpo Tubular elaborada en tubo de PVC aguas lluvias de 2¨ presenta deformación después de un uso prolongado en las perforaciones que soportan los rodamientos de los ejes de los rodillos Superior e Inferior, debido al calentamiento que generan los rodamientos al girar a altas revoluciones. Se encontró una solución óptima al ser remplazado el tubo de PVC aguas lluvia por uno de presión.
El prototipo desarrollado Generador de Vann de Graff genera voltajes más elevados en los días soleados.
El Generador Van de Graff experimental presenta pérdidas y debilidad del campo estático debido a la misma naturaleza y fabricación empírica de los materiales que lo conforman. La Esfera Recortada presenta pérdidas de campo en la unión donde las dos tapas se juntan para formarla y en los ganchos que las unen.
Por efectos de fricción y calentamiento de los rodillos superior e inferior, éstos tienden a un desgaste continuo, haciendo necesario un constante mantenimiento.
Se observa una mejor respuesta en cuanto a la carga de la Esfera Recortada cuando los rodillos superior e inferior están rozando continuamente la banda transportadora, debido a que hay menos aire entre éstos, claramente el roce continuo genera desgaste y ruptura de los materiales por lo cual se determina dejar una distancia de 1 cm de separación para garantizar la vida útil del Generador de Van de Graff.
► DESCRIPCION GENERADOR DE VANN DE GRAFF
• Voltaje máximo de la Esfera Recortada
• Carga máxima de la esfera es de
• Capacidad de la esfera
• Potencia máxima motor tracción
• Radio esfera recortada 12cm.
• Motor 110v AC.
• Control de velocidad.
• Interruptor encendido.
• Protección por Fusible.
• Punta de descarga.
• Carga máxima de la esfera es de
• Capacidad de la esfera
• Potencia máxima motor tracción
• Radio esfera recortada 12cm.
• Motor 110v AC.
• Control de velocidad.
• Interruptor encendido.
• Protección por Fusible.
• Punta de descarga.
► DESCRIPCION GENERADOR DE VANN DE GRAFF
• Voltaje máximo de la Esfera Recortada
• Carga máxima de la esfera es de
• Capacidad de la esfera
• Potencia máxima motor tracción
• Radio esfera recortada 12cm.
• Motor 110v AC.
• Control de velocidad.
• Interruptor encendido.
• Protección por Fusible.
• Punta de descarga.
• Carga máxima de la esfera es de
• Capacidad de la esfera
• Potencia máxima motor tracción
• Radio esfera recortada 12cm.
• Motor 110v AC.
• Control de velocidad.
• Interruptor encendido.
• Protección por Fusible.
• Punta de descarga.
► DESCRIPCION ELECTROSCOPIO DIGITAL
El electroscopio digital es un instrumento de medida que permite visualizar un nivel de voltaje estático en una pantalla de cristal líquido (LCD), tiene cuatro rangos o escalas de operación y visualización de unidad y tres decimales.
El prototipo de Electroscopio Digital cuenta con una fuente de alimentación de voltaje alterno (AC), un sensor de estática, un circuito de acoplamiento de alta impedancia y un microcontrolador PIC 16F877A.
El PIC 16F877A incorpora un conversor análogo digital (ADC) de 10 bits el cual es programado para realizar un muestreo cada 4 microsegundos, la conversión es guardada en dos registros de 8 bits ADRES H y ADRESL, mediante algoritmos los registros son guardados en un nuevo registro de 16 bits para poder hacer la conversión de hexadecimal a ASCII y visualizarse en un display LCD.
El acoplamiento de alta impedancia es realizado por medio de un transistor tipo Fet canal n y un amplificador de instrumentación que me permite ingresar a la entrada análoga del PIC 16f877A un voltaje que varía de 0 a 5 voltios, el algoritmo me permite tener la respectiva visualización de este voltaje.
► MÉTODOS DE LA INVESTIGACIÓN
Investigación experimental
Al tener un desarrollo tecnológico en el cual tomamos datos de experimentos reales por medio de experimentos, los cuales luego van a ser representados en forma gráfica para poder demostrar que las prácticas validan las teorías estudiadas, explica la investigación experimental, puesto que se está manipulando una variable en condiciones controladas, la cual tiene como finalidad poder dar a conocer las causas por las cuales se produce un acontecimiento o situación particular.
El objeto de la investigación trata de poder tomar las variables dependientes e independientes, los parámetros constantes y la precisión necesaria en la medición de las variables del comportamiento de un experimento físico, para después ser analizadas con variables determinadas por el usuario y analizar su respectivo comportamiento, con la ayuda de las teorías existentes.
La hipótesis trata en verificar la teoría de fenómenos físicos a través de un diseño experimental que permita entender su comportamiento a través de las interpretaciones arrojadas por el software y hardware diseñado. Con la interpretación de resultados, ya sean valores, gráficas o tabulaciones las cuales deben confirmar las teorías que validan los fenómenos físicos a estudiar.
Al tener un desarrollo tecnológico en el cual tomamos datos de experimentos reales por medio de experimentos, los cuales luego van a ser representados en forma gráfica para poder demostrar que las prácticas validan las teorías estudiadas, explica la investigación experimental, puesto que se está manipulando una variable en condiciones controladas, la cual tiene como finalidad poder dar a conocer las causas por las cuales se produce un acontecimiento o situación particular.
El objeto de la investigación trata de poder tomar las variables dependientes e independientes, los parámetros constantes y la precisión necesaria en la medición de las variables del comportamiento de un experimento físico, para después ser analizadas con variables determinadas por el usuario y analizar su respectivo comportamiento, con la ayuda de las teorías existentes.
La hipótesis trata en verificar la teoría de fenómenos físicos a través de un diseño experimental que permita entender su comportamiento a través de las interpretaciones arrojadas por el software y hardware diseñado. Con la interpretación de resultados, ya sean valores, gráficas o tabulaciones las cuales deben confirmar las teorías que validan los fenómenos físicos a estudiar.
► OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
• Realizar el análisis y elaboración de requerimientos de los dispositivos (Generador de Van de Graff y Electroscopio Digital).
• Diseñar circuito de alta impedancia para el acoplamiento a un dispositivo electrónico microcontrolado.
• Desarrollar un dispositivo electrónico microcontrolado para la visualización de datos.
• Diseñar y construir de forma experimental los dispositivos (Generador de Van de Graff y Electroscopio Digital) para las prácticas del laboratorio de Física de la Universidad Autónoma de Manizales.
• Realizar el análisis y elaboración de requerimientos de los dispositivos (Generador de Van de Graff y Electroscopio Digital).
• Diseñar circuito de alta impedancia para el acoplamiento a un dispositivo electrónico microcontrolado.
• Desarrollar un dispositivo electrónico microcontrolado para la visualización de datos.
• Diseñar y construir de forma experimental los dispositivos (Generador de Van de Graff y Electroscopio Digital) para las prácticas del laboratorio de Física de la Universidad Autónoma de Manizales.
► IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN
El presente proyecto se desarrolla con el fin de afianzar los conocimientos técnicos, metodológicos y demás, adquiridos a lo largo de la carrera, de ésta forma se aporta facilidades educativas en las cuales por medio de las prácticas los estudiantes podamos afianzar y corroborar la teoría recibida y poderla difundir a través de sistemas de información.
Es una oportunidad para que los estudiantes se den al aprendizaje por descubrimiento, el cual a través de una práctica recibe una información (de forma numérica o gráfica ) sobre el experimento, lo cual permite desarrollar destrezas y conceptos básicos de la física experimental y del tratamiento de datos, en el cual la observación juega un papel fundamental para entender y distinguir entre las inferencias que se realizan a partir de la teoría y las que se realizan a partir de la práctica. Las prácticas de laboratorio pueden desarrollarse de manera en que el alumno pueda manipular los elementos, dispositivos e instrumental requeridos para el desarrollo de la práctica experimental
Es una oportunidad para que los estudiantes se den al aprendizaje por descubrimiento, el cual a través de una práctica recibe una información (de forma numérica o gráfica ) sobre el experimento, lo cual permite desarrollar destrezas y conceptos básicos de la física experimental y del tratamiento de datos, en el cual la observación juega un papel fundamental para entender y distinguir entre las inferencias que se realizan a partir de la teoría y las que se realizan a partir de la práctica. Las prácticas de laboratorio pueden desarrollarse de manera en que el alumno pueda manipular los elementos, dispositivos e instrumental requeridos para el desarrollo de la práctica experimental
► PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A través del Generador de Van de Graff y el Electroscopio Digital se busca pasar de lo teórico a lo experimental por medio de talleres didácticos; de tal forma que el estudiante pueda confrontar la teoría de los campos electrostáticos a través de prácticas experimentales que permitan ver el comportamiento de los efectos electrostáticos en los materiales en cuanto a la conducción de cargas eléctricas a través de instrumentos de medición, como lo es el Electroscopio Digital, el cual permite medir un potencial eléctrico.
► PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A través del Generador de Van de Graff y el Electroscopio Digital se busca pasar de lo teórico a lo experimental por medio de talleres didácticos; de tal forma que el estudiante pueda confrontar la teoría de los campos electrostáticos a través de prácticas experimentales que permitan ver el comportamiento de los efectos electrostáticos en los materiales en cuanto a la conducción de cargas eléctricas a través de instrumentos de medición, como lo es el Electroscopio Digital, el cual permite medir un potencial eléctrico.
► IMPACTO ESPERADO
Con el desarrollo del proyecto se pretende tener prácticas adecuadas para una correcta enseñanza de los fenómenos de la física, para que los estudiantes tengan la posibilidad de confrontar y validar diferentes prácticas de la física a la vida real, los cuales mediante el ejercicio de la observación y el análisis de resultados hacen que se pueda llegar a partir de los resultados de la práctica a la teoría aplicando los conceptos enseñados por el profesor.
IMPACTO ESPERADO
Con el desarrollo del proyecto se pretende tener prácticas adecuadas para una correcta enseñanza de los fenómenos de la física, para que los estudiantes tengan la posibilidad de confrontar y validar diferentes prácticas de la física a la vida real, los cuales mediante el ejercicio de la observación y el análisis de resultados hacen que se pueda llegar a partir de los resultados de la práctica a la teoría aplicando los conceptos enseñados por el profesor.
► MATERIAS DE LA INVESTIGACIÓN
• Física del estado sólido.
• Electrónica de potencia.
• Electrónica digital.
• Microcontroladores.
• Programación.
• Diseño Electrónico.
• Campos electrostáticos.
• Circuitos eléctricos.
• Instrumentación.
• Electrónica de potencia.
• Electrónica digital.
• Microcontroladores.
• Programación.
• Diseño Electrónico.
• Campos electrostáticos.
• Circuitos eléctricos.
• Instrumentación.
► COBERTURA DEL ESTUDIO
• Con el proyecto de investigación se pretende llegar al desarrollo de herramientas que permitan realizar prácticas en las materias de Física.
• Aplicación del electroscopio como una herramienta para la enseñanza de cargas electrostáticas aplicadas a distintos materiales.
• Tiempo estimado: un año y medio. inicio junio de 2007, culminación Diciembre 1 de 2008.
• Aplicación del electroscopio como una herramienta para la enseñanza de cargas electrostáticas aplicadas a distintos materiales.
• Tiempo estimado: un año y medio. inicio junio de 2007, culminación Diciembre 1 de 2008.
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