Máquina de Wimshurst: historia, cómo funciona y aplicaciones
La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje y bajo amperaje, capaz de producir electricidad estática por separación de cargas, gracias al giro de una manivela. En cambio los generadores usados actualmente como las pilas, alternadores y dinamos son más bien fuentes de fuerza electromotriz, que causan movimientos de cargas en un circuito cerrado.
La máquina de Wimshurst fue desarrollada por el ingeniero e inventor británico James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 y 1883, mejorando versiones de generadores electrostáticos propuestas por otros inventores.
Destaca sobre las máquinas electrostáticas previas por su operación confiable, reproducible y su construcción simple, pudiendo generar una asombrosa diferencia de potencial de entre 90.000 y 100.000 voltios.
Índice del artículo
- 1 Partes de la máquina de Wimshurst
- 2 El efecto triboeléctrico
- 3 Principios físicos involucrados
- 4 Ciclo de carga y almacenamiento
- 5 Aplicaciones y experimentos
- 6 Referencias
La base de la máquina son los dos característicos discos de material aislante, con delgadas láminas metálicas adheridas y dispuestas en forma de sectores radiales.
Cada sector metálico tiene otro diametralmente opuesto y simétrico. Los discos suelen tener entre 30 y 40 cm de diámetro, pero también pueden ser mucho mayores.
Ambos discos están montados en un plano vertical y se separan una distancia de entre 1 a 5 mm. Es importante que durante el giro los discos nunca se toquen. Los discos se hacen girar en sentidos contrarios mediante un mecanismo de poleas.
La máquina de Wimshurst tiene dos barras metálicas paralelas al plano de rotación de cada disco: una hacia el lado exterior del primer disco y la otra hacia el lado exterior del segundo disco. Estas barras se cruzan en ángulo una respecto a la otra.
Los extremos de cada barra tienen escobillas metálicas que hacen contacto con los sectores metálicos opuestos en cada disco. Se las conoce como barras neutralizadoras, por una buena razón que se verá en breve.
Las escobillas mantienen en contacto eléctrico (metálico) el sector del disco que toca en un extremo de la barra, con el sector diametralmente opuesto. En el otro disco ocurre lo mismo.
Las escobillas y los sectores del disco están hechos de metales diferentes, casi siempre cobre o bronce, mientras que las láminas de los discos son de aluminio.
El fugaz contacto entre ellos mientras los discos rotan y la posterior separación, crea la posibilidad de intercambiar cargas a través de la adhesión. Este es el efecto triboeléctrico, que también puede darse entre un trozo de ámbar y un paño de lana, por ejemplo.
A la máquina se agregan un par de colectores (peines) metálicos con forma de U y terminaciones en puntas o púas metálicas, ubicados en posiciones opuestas.
Los sectores de ambos discos pasan por la parte interna de la U del colector sin tocarlo. Los colectores están montados sobre una base aislante y a su vez están conectados a otras dos barras metálicas terminadas en esferas, cercanas pero que tampoco se tocan.
Cuando se le proporciona energía mecánica a la máquina por medio de la manivela, el roce de las escobillas produce el efecto triboeléctrico que separa las cargas, tras lo cual los electrones ya separados son captados por los colectores y se almacenan en dos dispositivos llamados botellas de Leyden.
La botella o jarro de Leyden es un condensador con armaduras metálicas de forma cilíndrica. Cada botella está conectada a la otra por la placa central, conformando dos condensadores en serie.
Al girar la manivela se produce una diferencia de potencial eléctrico tan elevada entre las esferas, que el aire entre ellas se ioniza y salta una chispa. El dispositivo completo se aprecia en la imagen de arriba.
En la máquina de Wimshurst la electricidad sale de la materia, que está compuesta de átomos. Y estos a su vez están constituidos por cargas eléctricas: electrones negativos y protones positivos.
En el átomo los protones con carga positiva están compactados en el centro o núcleo y los electrones de carga negativa alrededor de su núcleo.
Cuando un material pierde algunos de sus electrones más externos queda cargado positivamente. Al contrario, si captura algunos electrones, obtiene carga neta negativa. Cuando la cantidad de protones y electrones es igual, el material es neutro.
En los materiales aislantes, los electrones permanecen alrededor de sus núcleos sin la posibilidad de alejarse demasiado. Pero en los metales los núcleos están tan cercanos unos a otros, que los electrones más externos (o de valencia), pueden saltar de un átomo a otro, moviéndose por todo el material conductor.
Si a una de las caras de una placa metálica se le acerca un objeto cargado negativamente, entonces los electrones del metal se alejan por repulsión electrostática, en este caso a la cara opuesta. Se dice entonces que la placa se ha polarizado.
Ahora bien, si esta placa polarizada se conecta mediante un conductor (barras neutralizadoras) por su cara negativa a otra placa, los electrones se moverían a esta segunda placa. Si repentinamente se corta la conexión la segunda placa queda cargada negativamente.
Para que la máquina de Wimshurst arranque, se necesita que alguno de los sectores metálicos del disco tenga un desbalance de carga. Esto ocurre de forma natural y frecuente, sobre todo cuando hay poca humedad ambiental.
Cuando los discos comienzan a girar, habrá un momento en el que un sector neutro del disco opuesto se opone al sector cargado. Este induce sobre aquel una carga de igual magnitud y sentido contrario gracias a las escobillas, ya que los electrones se movilizan alejándose o acercándose, según el signo del sector enfrentado.
Los colectores en forma de U se encargan de recoger la carga cuando los discos se repelen por estar cargados con cargas del mismo signo, como lo muestra la figura, y almacenan dicha carga en las botellas de Leyden conectadas a ellos.
Para lograrlo, en la parte interna de la U sobresalen picos a modo de peines dirigidos hacia las caras externas de cada disco, pero sin tocarlos. La idea es que en las puntas se concentre carga positiva, para que los electrones expulsados de los sectores sean atraídos y se vayan acumulando en la placa central de las botellas.
De esta forma el sector enfrentado al colector pierde todos sus electrones y queda neutro, mientras la placa central del Leyden se carga negativamente.
En el colector contrario pasa lo opuesto, el colector entrega electrones a la placa positiva que lo enfrenta hasta quedar neutralizado y el proceso se va repitiendo continuamente.
La aplicación principal de la máquina de Wimshurst es obtener electricidad de cada signo. Pero tiene el inconveniente de que suministra un voltaje bastante irregular, ya que depende del accionar mecánico.
El ángulo de las barra neutralizadoras puede variarse para configurar a alta corriente de salida o a alto voltaje de salida. Si los neutralizadores están lejos de los colectores, la máquina entrega un alto voltaje (hasta más de 100 kV).
En cambio si están cerca de los colectores, el voltaje de salida disminuye y la corriente de salida aumenta, pudiendo llegar hasta de 10 microamperes a velocidades de rotación normales.
Cuando la carga acumulada alcanza un valor lo bastante alto se produce entonces un elevado campo eléctrico en las esferas conectadas a las placas centrales de los Leyden.
Este campo ioniza el aire y produce el chispazo, descargando las botellas y dando lugar a un nuevo ciclo de carga.
Los efectos del campo electrostático pueden apreciarse colocando una hoja de cartulina entre las esferas y observar que las chispas hacen agujeros en ella.
Para este experimento se necesita: un péndulo hecho con una bolita de ping pong recubierta de papel de aluminio y dos láminas metálicas en forma de L.
Se cuelga la bolita en medio de las dos láminas mediante un hilo aislante. Cada lámina se conecta a los electrodos de la máquina de Wimshurst mediante cables con pinzas.
Al girar la manivela, la bolita inicialmente neutra oscilará entre las láminas. Una de ellas tendrá exceso de carga negativa que cederá a la bolita, la cual será atraída por la lámina positiva.
La bolita depositará en esta lámina su exceso de electrones, se neutralizará brevemente y el ciclo se repetirá de nuevo mientras la manivela se siga girando.
- De Queiroz, A. Electrostatic Machines. Recuperado de: coe.ufrj.br
- Gacanovic, Mico. 2010. Electrostatic Application Principles. Recuperado de: orbus.be