campos electricos: maquina de wimshurst

Fundamentos de electricidad y magnetismo (Laboratorio) Informe # 3
22/03/06
CAMPOS ELECTRICOS: MAQUINA DE WIMSHURST
Camilo Andrés Simbaqueba Bayona, Luis Alberto Arias, Jorge Leonardo Barbosa R.
Facultad de Ciencias, Fundamentos de Electricidad y Magnetismo.
Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
Resumen
Los Generadores eléctricos tienen importante tarea de convertir energía mecánica en energía eléctrica. La máquina de
Wimshurst es un generador que crea cargas eléctricas por inducción electrostática y esta presenta grandes mejorías
respecto a maquinas inventadas anteriormente. Es por ello que en esta ocasión su aplicación será servir a los estudiantes
como ayuda interactiva para el entendimiento de la generación de campos eléctricos, gracias a su fácil manejo,
confiabilidad, su capacidad de producir tensiones del orden de Kv y su polaridad constante.
1. INTRODUCCIÓN
Es Incuestionable que para generar un voltaje, corriente y
a su vez energía eléctrica debemos acudir a diversas
maquinas capaces de reproducir dicho fenómeno, como lo
es la energía eléctrica. Es así que una de estas maquinas es
la de Wimshurst, a la cual nos referiremos en esta
ocasión.
Dicha Maquina es en sí un generador electrostático de
alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el
inventor británico James Wimshurst y tiene un aspecto
distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran
en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos
barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de
metal separadas por una distancia donde saltan las
chispas. Además de esto la maquina está basada en
el efecto triboeléctrico que consiste en la acumulación de
cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.
2. TEORÍA RELACIONADA
Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de
generadores, que crean cargas eléctricas por inducción
electrostática. Las primeras maquinas desarrolladas fueron
la de Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler
(1865), y J. Robert Voss (1880) y al ser las más antiguas
en consecuencia son menos eficientes y exhiben una
tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. Por en
cambio la máquina de Wimshurst no tiene este defecto
[1].
En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento
y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que
pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y
por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido,
amplificado y almacenado por dos pares de peines de
metal con los puntos situados cerca de la superficie de
cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte
aislante y conectado a una salida terminal. La
retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de
cargas en forma exponencial hasta que la tensión de
ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa [1].
La máquina está lista para comenzar, lo que significa que
la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una
carga inicial. Sin embargo, se requiere energía
mecánica para tornar los discos en contra el campo
eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en
energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es
esencialmente una corriente constante ya que es
proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a
la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la
máquina determinan la salida de voltaje máxima que se
puede alcanzar.
La chispa de energía acumulada se puede aumentar
mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo
de condensador adecuado para la alta tensión, con los
frascos en el interior de las placas conectados en forma
independiente a cada una de las terminales de salida y
conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina
Wimshurst
puede
producir
rayos
que
son
aproximadamente un tercio del diámetro del disco de
longitud y varias decenas de microamperios.
3. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO
Materiales:
- Maquina de Wimshurst (Figura 1)
- Cables
- Aceite de ricino
- semillas de trigo
- Proyector
- Electrodos de diferentes formas
- Tanque transparente.
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Fundamentos de electricidad y magnetismo (Laboratorio) Informe # 3
Figura 1
22/03/06
condensadores de la máquina. Al funcionar la máquina,
en las botellas de Leyden, se irá acumulando una gran
potencial de electricidad. Si aproximamos las dos
esferillas excitadoras, al hallarse a conveniente distancia
saltará una chispa muy intensa y de relativa longitud.
Luego como los dos colectores generadores de
electricidad son las botellas de Leyden, si colocamos
próximas las dos bolitas terminales de los excitadores, se
produce una chispa continua entre dos esferillas metálicas.
Ahora bien, moviendo con una mano la manecilla de una
máquina de Wimshurst y manteniendo las esferillas
excitadoras separadas para que no salte la chispa entre
ellas, si acercamos los dedos de la otra mano a una de
estas esferillas excitadoras, podremos hacer saltar chispas
entre la esferilla y nuestros dedos.
Fuente:
http://www.upct.es/seeu/_as/divulgacion_cyt_09/Libro_Historia_Cienc
ia/web/wimshurst.htm
Procedimiento:
Se vierte aceite de ricino en el tanque transparente, el cual
estará ubicado encima del proyector para así poder
observar todo lo que sucede en el tanque. Se conecta la
maquina por medio de cables a diferentes combinaciones
de electrodos e incluso los estudiantes pueden sujetarse
para experimentar el potencial generado por la maquina.
En el caso de los electrodos se introducen estos dentro del
aceite y luego se esparcen las semillas por todo el aceite,
al hacer girar la maquina durante un tiempo, las semillas
deben empezar a moverse en el sentido del campo
eléctrico.
El estudiante debe proponer diversas configuraciones de
electrodos, entre circulares, planos, puntuales, introducir
2, 3 y cuantos electrodos desee. Debe observar cómo se
comporta el campo eléctrico formado por la tensión
creada con la maquina. El estudiante también podrá
observar que al hacer girar los discos durante un largo
tiempo y con rapidez se genera el efecto corona, ya sea
entre dos de los electrodos o entre las dos barras
terminadas con esferas pertenecientes a la maquina.
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS
Una forma para la obtención de grandes chispas aisladas
es la de separar bastante las dos esferillas terminales de
los excitadores, pero dejándolos en comunicación los dos
5. CONCLUSIONES.
La máquina de Wimshurst es una máquina capaz de
convertir energía mecánica en energía eléctrica por medio
de la inducción electrostática, al generar potencial
eléctrico y mantener su polaridad constante sirve como
fuente confiable de voltaje. Esta fuente tiene aplicaciones
educativas gracias a su sencillo funcionamiento y a sus
importantes efectos entre los cuales se destaca el efecto de
corona, el cual se hace llamativo para los espectadores.
Al realizar el montaje anteriormente mencionado podemos
lograr observar cómo se comporta el campo eléctrico
dependiendo de la posición y la geometría de las fuentes
de carga, ayudados con la dispersión de semillas de trigo
en un fluido viscoso como el aceite de ricino (Castor Oíl),
el estudiante por medio del funcionamiento de esta
máquina y de sus tangibles efectos, se pregunta qué es la
corriente eléctrica?, porque no se ve afectada la salud de
los estudiantes que entraron en contacto con la descarga
de voltaje? Porque es importante la tierra en las
instalaciones eléctricas? Entre muchas otras preguntas que
pueden surgir a los estudiantes, motivando así el
aprendizaje autónomo.
6. REFERENCIAS
[1] François BOSSERT, Machine de Wimshurst,
Publicado en BULLETIN DE L-UNION DES
PHYSUCIENS No 696, julio agosto, septiembre 1987,
pág. 881
[2]
http://www.telefonica.net/web2/javq/LaMaquinaDeWims
hurst.htm
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