Quest’attività si propone la costruzione di un generatore elettrostatico di Van de Graaf a partire da materiali facilmente reperibili in commercio, quali ad esempio una bottiglia di latte, una lattina di una bibita, del nastro isolate, un motorino elettrico recuperato da un elettrodomestico o da un giocattolo. Gli studenti saranno coinvolti nella costruzione e nella messa in funzione del generatore.
Scheda sintetica delle attività
La scelta di utilizzare materiali di riciclo o facilmente reperibili in commercio per la costruzione di questo semplice generatore elettrostatico è stata fatta nell’ottica di poter svolgere questa attività in classe dividendo gli studenti in due o tre gruppi.
Risorse necessarie
Supporto di legno (o altro materiale anche di riciclo) e due viti;
una bottiglia di plastica da 750 ml (ottima all’uso è la bottiglia della Centrale del Latte di Roma che ha delle scanalature che possono servire da riferimento);
un motorino elettrico da 3-6 volt (acquistabile presso i negozi specializzati o in alternativa è possibile trovarlo all’interno delle macchinine giocattolo per bambini);
nastro isolante;
pulegge:
cilindro cavo in plastica di lunghezza 3 cm (per es. un distanziatore);
cilindro cavo in plastica di lunghezza di circa 7 cm che è il diametro interno della bottiglia di plastica (in questo caso si è usato il tappo di una siringa da 5 ml e un pezzo di un cannuccia grande ma potrebbe essere utilizzato anche l'involucro esterno di un pennarello o di una penna);
tre viti piccole filettate con punta (diametro 0.5 cm, lunghezza 1,5 cm) + una vite grande (diametro 0.5 cm, lunghezza 6 cm);
cavo elettrico di lunghezza 1 m;
elastici o dello spago;
una lastrina angolare delle dimensioni opportune per fissare sopra il motorino;
filo di rame non troppo sottile;
carta stagnola;
un filo di lana;
una batteria da 3 V o un generatore di corrente elettrica;
una lattina da bibita da 33 cl;
scotch da pacchi trasparente o colla a caldo;
due lastrine angolari da 2 cm (opzionale);
una lastrina da sbalzo in rame (opzionale).
Prerequisiti necessari
Fenomeni elettrici;
induzione elettrostatica;
potere dispersivo delle punte.
Obiettivi di apprendimento
Visualizzazione di effetti elettrostatici: scarica, induzione elettrica;
costruzione di un semplice generatore elettrostatico di cariche.
Svolgimento
Introduzione
Il generatore di Van de Graaf fu inventato alla fine del 1929 dal fisico statunitense Robert Van de Graaf ed è costituito principalmente da una colonna di materiale isolante che sostiene un elettrodo di raccolta di metallo, cavo e generalmente (ma non necessariamente) di forma sferica. All’interno della colonna scorre una cinghia di materiale isolante, tesa tra due pulegge e mantenuta in rapido movimento da un motorino elettrico. La cinghia viene caricata per induzione da un pettine a punte posto alla base della cinghia stessa. La cinghia nel muoversi trasporta le cariche nell’interno dell’elettrodo di raccolta dove un secondo pettine, affacciato alla cinghia, subisce il fenomeno dell’induzione elettrostatica e si carica negativamente mentre l’elettrodo si carica positivamente. Le cariche negative indotte sul secondo pettine sfuggono da essa e vanno a neutralizzare le cariche positive sulla cinghia in modo che questa quando esce dall’elettrodo è priva di cariche.
Preparazione della colonna isolante
La colonna isolante è ricavata da una semplice bottiglia di plastica. Deve essere abbastanza rigida da non deformarsi durante l'uso o il montaggio. Ottima all’uso è la bottiglia della Centrale di latte che ha delle scanalature sul bordo utili come riferimento. Tracciate con un pennarello indelebile due linee verticali su lati diametralmente opposti e una linea lungo la circonferenza della bottiglia a circa metà della sua lunghezza. Ricavate due fori, nei punti d’incrocio delle linee così tracciate, di cui uno grande abbastanza per permettere all’asse del motorino di girare senza attriti. Attraverso questi due fori si sistemerà la prima puleggia. Ricavate un terzo foro lungo la circonferenza a metà dell'asse che servirà per inserire uno dei due pettini di raccolta. Fissate con dello scotch da pacchi trasparente o con della colla a caldo in prossimità del foro più grande la lastrina angolare su cui verrà fissato il motorino (figura 1).
Figura 1: colonna isolante ricavata da una bottiglia di plastica, sono visibili i fori cerchiati in rosso e la lastrina angolare.
Preparazione delle pulegge
Puleggia superiore: prendete due vite piccole filettate con punta (diametro 0.5 cm, lunghezza 1,5 cm) e un cilindro cavo della lunghezza di 3 cm; in questo caso si è usato un distanziatore in plastica. Fissatelo sul collo della bottiglia facendo attenzione che sia in linea con l’asse della puleggia inferiore; per eseguire i fori utilizzate la vite stessa: la puleggia superiore è così pronta (figura 2).
Figura 2: realizzazione e montaggio della puleggia superiore
Con la terza vite piccola a disposizione praticare un piccolo foro sul collo di bottiglia, ortogonalmente alla puleggia (punto cerchiato in rosso figura 2), qui verrà inserito uno dei due pettini di raccolta.
Puleggia inferiore : in questo caso per la puleggia inferiore si è usato il tappo di una siringa da 5ml e un pezzo di una cannuccia grande abbastanza da fissarsi sul tappo stesso. Questa puleggia può essere ricavata anche utilizzando l'involucro esterno di un pennarello o di una penna, opportunatamente dimensionati. Prendete il tappo della siringa e tagliate l’estremità superiore in modo che sia aperta da tutti e due i lati. Tagliate la cannuccia in modo che la lunghezza totale del tappo e della cannuccia sia pari al diametro interno della bottiglia (non deve toccare sul bordo). Inserite il tappo della siringa e la cannuccia sull'asse del motorino (figura 3 immagine a sinistra). Nel caso l’asse del motorino sia più piccolo del foro del tappo della siringa, fissate un pezzettino di nastro isolante sull’asse del motorino (figura 3, immagine al centro). Prendete la vite da 6 cm e fissate alla sua estremità superiore del nastro isolante (figura 3, immagine a destra), in modo che la vite entri un po’ a pressione nella cannuccia e verificare che il tutto ruoti senza attriti.
Figura 3: realizzazione della puleggia inferiore
Avvolgete uno strato di carta stagnola sulla puleggia così ottenuta e su di essa, al centro, dello spago o un elastico che servirà a far girare la cinghia; fissate le estremità con del nastro isolante (figura 4 immagini a sinistra).
Figura 4: montaggio della puleggia inferiore
Infilate nel foro più grande il motorino con la puleggia e fissate con dello scotch o della colla il motorino alla lastrina angolare precedentemente ancorata alla bottiglia. Inserite nel foro diametralmente opposto la vite da 6 cm e fissatela alla puleggia facendo un po’ di pressione. Fate attenzione che la vite sia al centro del foro e non tocchi il bordo del foro. La seconda puleggia è così pronta (figura 4 immagine di destra).
Preparazione della cinghia di materiale isolante
Per la cinghia si è utilizzato del nastro isolante. Attaccate una moneta ad una sua estremità. Calate il nastro isolante all’interno della bottiglia in modo che la parte adesiva sia rivolta verso l’esterno. Quando si è arrivati all’altezza della puleggia inferiore rivoltate la bottiglia a testa in giù e ruotate la puleggia a mano facendo scendere il lembo del nastro isolante fino alla puleggia superiore (figura 5 immagine a sinistra).
Figura 5: preparazione e montaggio della cinghia isolante
Collegate le due estremità tra loro a cavallo della puleggia superiore, facendo attenzione che la cinghia non sia troppo in tensione, altrimenti potrebbe frenare la puleggia inferiore (figura 5 immagine al centro). Alla fine la cinghia di materiale isolante dovrebbe apparire così come mostrato nella figura 5 immagine a destra.
Preparazione dei pettini a punte
Per il pettine superiore tagliate un pezzo di cavo elettrico di circa 10 cm di lunghezza. Rimuovete con delle forbici o un taglierino il rivestimento isolante alle due estremità. Ripiegate un estremo e collegatelo a un pezzo piuttosto lungo di filo di rame (figura 6, immagini di sinistra). All'altro estremo aprite bene i fili a raggiera.
Figura 6: preparazione e montaggio del pettine a punte superiore
Sul foro praticato sul collo di bottiglia, inserite il pettine così assemblato e fissatelo con dello scotch o della colla a caldo al bordo della bottiglia, facendo attenzione che non tocchi la cinghia ma sia a pochi millimetri di distanza da essa (figura 6 immagine destra).
Per questo pettine è possibile anche un'alternativa (opzionale). Prendete due lastrine angolari di 2 cm e fissateci sopra con dello scotch isolante un pezzo di lamierino di rame opportunatamente sagomato con delle punte rivolto verso il basso (figura 7 immagine a sinistra); per questo possono essere utili le forbici a zig zag. Fissate le due lastrine angolari con il lamierino di rame alle viti della puleggia superiore (figura 7 immagine a destra).
Figura 7: preparazione alternativa del pettine a punte superiore
Collegate tramite un piccolo pezzo di cavo elettrico la vite della puleggia al filo di rame (figura 8). E' importante che il pettine abbia punte abbastanza sottili: grazie all'effetto dispersivo delle punte le cariche tenderanno a "sfuggire" dal pettine per andare a neutralizzare le cariche presenti sulla cinghia.
Figura 8: collegamento elettrico del pettine a punte superiore e di quello inferiore
Per il secondo pettine tagliate un pezzo piuttosto lungo di cavo elettrico e rimuovete il rivestimento isolante da entrambi le estremità. Questo secondo pettine dovrà essere messo a massa (si può collegare alla vite del termosifone) per cui la lunghezza dovrà essere tale da raggiungere il termosifone della classe. Inserite il secondo pettine nel foro all’altezza della puleggia inferiore e fissatelo alla bottiglia con dello scotch o della colla a caldo, di nuovo facendo attenzione che non tocchi la cinghia ma sia a pochi millimetri da essa (figura 8 immagine di destra).
Preparazione dell’elettrodo di raccolta
L’elettrodo di raccolta viene fatto con una semplice lattina. Con un apriscatole eliminate la parte superiore della lattina, inserite all'interno il filo di rame proveniente dal pettine superiore e fissate la lattina al collo della bottiglia con del nastro isolante o scotch (figura 9 immagine a destra). Tagliate alcuni fili di lana e attaccate alle loro estremità delle lastrine di carta stagnola (figura 9 immagine al centro). Fissate i fili di lana alla base della lattina tramite del nastro isolante. Questo permetterà di verificare il corretto funzionamento del generatore di Van de Graaf (figura 9 immagine a sinistra).
Figura 9: posizionamento e collegamenti dell'elettrodo di raccolta.
Collegamento al generatore elettrico
Per azionare il motorino elettrico è sufficiente collegare i fili che fuoriescono dal motorino a un generatore di corrente elettrica o a una pila da 3V. Azionando il motorino, la puleggia inferiore si metterà in moto trasportando con sé la cinghia e dopo alcuni istanti le lastrine di alluminio attaccate alla lattina cominceranno a distaccarsi dalla lattina stessa per effetto del caricamento dell’elettrodo. Per stabilizzare tutta la struttura è possibile fissare la bottiglia di plastica con due viti ad un supporto di legno delle dimensioni opportune.
Video su youtube in cui viene costruito il generatore di Van der Graaf descritto in questa scheda. I materiali usati nel nostro caso sono però un po' diversi da quelli esposti proprio per facilitarne la costruzione: http://www.youtube.com/watch?v=DVBkZUmwcBg
