Descripción teórico - práctica de la máquina de Wimshurst

Descripción teórico - práctica de la máquina de Wimshurst

Cargas eléctricas 

La historiografía científica concede al filósofo griego Tales de Mileto el honor de haber sido el primero en reflexionar sobre la naturaleza de la electricidad estática. Las ideas de Tales, que vivió en la antigua ciudad que le da su nombre a partir del año 623 a. e. c., han llegado hasta nosotros a través de la obra de Diógenes Laercio, Vidas, opiniones y sentencias de los filósofos más ilustres.[1] Pues bien, parece ser que en su concepción de la naturaleza Tales atribuía un alma, una influencia divina, a aquellos objetos que eran capaces de actuar sobre los demás, como la magnetita cuando atrae a las piezas de hierro, o el ámbar, sobre el que se adhieren briznas de hierba seca después de ser frotado con un vellón de lana. El ámbar era también entonces un material utilizado en joyería y llegaba a la antigua Grecia después de un largo viaje desde las costas bálticas. Su nombre en griego, ἤλεκτρον / ḗlektron, ha aportado la raíz a todo lo relacionado con la electricidad.

Mucho tiempo más tarde, en 1663, Otto von Guericke construyó la que se considera primera máquina eléctrica de fricción, aunque no queda claro que pretendiese realizar con ella estudio alguno sobre la electricidad.[2] [3] A este simple artilugio le sucedieron, entre muchos otros, en 1768 la máquina de Ramsden, en 1864 el generador de inducción de Holtz y en 1878 la máquina de Wimshurst. Es a este generador de Wimshurst a quien dedicaremos este estudio. 

Para delimitar el campo de aplicación de la máquina de Wimshurst en el momento en que fue creada hemos de tener en cuenta que en aquella época la electricidad industrial destinada a la iluminación y el accionamiento de motores era ya una realidad, y se producía con dinamos como la de Gramme que comenzó a usarse en 1873. El 13 de mayo de 1875 se ensayó por primera vez en Barcelona el alumbrado eléctrico con dinamo Gramme y lámpara de arco y en 1875 se hizo lo mismo en Madrid.[4][5][6][7] La máquina de Wimshurst se utilizó pues para realizar experimentos en los laboratorios y para alimentar aparatos de rayos X, debido a que proporcionaba electricidad de alto voltaje.

Principio de funcionamiento

En contraposición a las máquinas de fricción, como las de Otto von Guericke, Ramsden y Van der Graaf, la máquina de Wimshurst, al igual que la de Holtz, consigue generar cargas eléctricas mediante inducción electrostática.

Para empezar hemos de entender a que nos referimos cuando hablamos de cargas eléctricas. Toda la materia, la que forma parte de nosotros mismos, el edificio que habitamos, el aire que entra y sale de nuestros pulmones, el planeta en su conjunto y el resto del Universo, está formada por átomos, asociados frecuentemente en moléculas. Pues, bien estos átomos están construidos a partir de tres elementos esenciales, dos de ellos con carga eléctrica, los protones que tienen carga positiva y están agrupados en un pequeño espacio en lo que se conoce como el núcleo del átomo y los electrones que tienen carga negativa y pululan describiendo órbitas a diferente altura sobre ese núcleo. Si el átomo está equilibrado y tiene la misma cantidad de protones que de electrones decimos que está eléctricamente neutro. Si tiene menos electrones que protones está cargado positivamente y si tiene más estará cargado negativamente. Separar los protones del núcleo del átomo requiere de una energía extraordinaria, por lo que esto no ocurre más que de forma excepcional. Sin embargo para arrancar un electrón de la órbita exterior del átomo se necesita una cantidad de energía infinitamente menor, por lo que este fenómeno se produce constantemente a nuestro alrededor, y muchas veces somos conscientes de ello por los efectos que provoca.

Como consecuencia de la estructura de la materia y del comportamiento de los electrones obtener cargas eléctricas supone en la práctica desplazar electrones de un sitio a otro. Para conseguir este propósito se puede utilizar la fricción entre dos materiales de diferentes características, lo que se conoce como efecto triboeléctrico, la inducción electrostática y la inducción electromagnética. Para poder entender el comportamiento entre cargas y como consecuencia de ello explicar la inducción electrostática, la ley de Coulomb de 1785 determina la magnitud de la fuerza que ejercen entre sí dos cargas eléctricas. Esta fuerza es de repulsión si las cargas son del mismo signo y de atracción si son de signo contrario. La máquina de Wimshurst utiliza la inducción electrostática para producir una carga eléctrica positiva en uno de sus bornes y negativa en el otro, aunque no ha de ser necesariamente siempre el mismo borne quien tenga el polo positivo o el negativo.

Descripción de la máquina de Wimshurst

Para encarar la descripción de la máquina utilizaremos la que de la misma realizó Eugène Adrien Ducretet, fabricante de estos aparatos, en 1891.[8] El grabado que aparece en ese artículo es el que se muestra a continuación.

Los siguientes dibujos se han inspirado en una de estas máquinas de finales del siglo XIX. A continuación se puede ver la máquina completa, con todos sus elementos.

Discos giratorios

Decimos que este generador eléctrico es una máquina porque tiene alguno de sus elementos dotados de movilidad. Uno de los elementos principales consiste en un conjunto de dos discos de material aislante, ebonita o vidrio, colocados uno frente a otro en un plano vertical y con la posibilidad de girar sobre un eje horizontal. La separación entre los dos discos es de 1 a 5 milímetros, lo bastante grande para que al girar no se toquen y lo bastante pequeña para que el fenómeno de inducción que se ha de producir entre ellos y sus sectores tenga lugar en condiciones óptimas.

Sobre una de las caras de cada uno de estos discos se disponen finas láminas alargadas de metal dispuestas radialmente en su periferia. En las máquinas del siglo XIX estas láminas eran de estaño y en algunos casos disponían de una cierta protuberancia que facilitaba el contacto con las escobillas de las barras neutralizadoras. En la actualidad en la construcción de estas máquinas a veces se utilizan láminas de aluminio pegadas sobre los discos. Estas láminas se pegan por la cara exterior de los discos, de forma que cuando un sector del disco delantero está enfrentado con otro del disco trasero forman una especie de condensador con sus laminas metálicas en el exterior separadas por un sándwich aislante de dos láminas de vidrio, o de plástico en las máquinas actuales, y una capa intermedia de aire.

En el dibujo se muestran estas láminas con un extraordinario grosor para facilitar la explicación de la distribución de las cargas eléctricas sobre ellas, pero en realidad son muy finas. El número de estas láminas metálicas, que denominamos habitualmente sectores, ha de ser un número par y puede llegar hasta cuarenta en el caso de una máquina con discos de 30 centímetros de diámetro. Al diseñar la superficie que tendrá cada uno de los sectores se ha de tener en cuenta el espacio que quedará entre ellos, pues ha de ser suficientemente grande como para impedir que durante el funcionamiento de la máquina se produzcan chispas entre dos sectores contiguos, haciendo que la carga se desplace de unos sectores a otros.

Tal como se puede ver a continuación los sectores son más estrechos en la parte interna y más anchos hacia la periferia del disco. Los extremos de los sectores están redondeados para evitar la concentración de cargas en un punto afilado, lo que provocaría fugas hacia el aire que envuelve el aparato por el efecto corona.

Los discos giran impulsados por dos correas que se mueven gracias a dos poleas montadas sobre un eje situado debajo de los discos. Al extremo de este eje está montada una manivela. Haciendo girar con la mano esta manivela se consigue que los discos giren uno en sentido contrario del otro. Esto ha de ser así para que los sectores de uno y otro disco se crucen entre si y ejerzan una mutua inducción de cargas eléctricas. De esta forma la energía cinética que comunicamos a los discos mediante la manivela se transforma en parte en carga  eléctrica. Otra porción de la energía cinética se transformará en calor, ruido y desgaste de las piezas del mecanismo.

Para conseguir que los dos discos giren en sentido contrario, una de las dos correas ha de estar cruzada. Es igual cual de ellas sea.

Barras neutralizadoras 

El segundo elemento básico en el funcionamiento de la máquina son las dos barras neutralizadoras, una frente a cada disco por su parte exterior. En los dos extremos de cada una de estas barras se encuentra una escobilla de hilos metálicos que hace contacto con la superficie de los sectores. En las máquina del siglo XIX estas escobillas estaban fabricadas de latón y en la actualidad a veces se hacen de cobre. Dado que el número de sectores es par, en todo momento están en comunicación un par de ellos diametralmente opuestos, por medio de la barra neutralizadora y esto tanto en el disco delantero como en el trasero. 

Las dos barras neutralizadoras están inclinadas un ángulo de 60 grados sobre la horizontal y esta inclinación determina el sentido de giro que tendrán los dos discos, y el sentido en el que tendremos que girar la manivela. Si nos fijamos en el dibujo anterior que muestra el disco delantero del lado de la manivela, su barra neutralizadora va desde la parte superior izquierda a la inferior derecha, por lo que este disco ha de girar en el sentido de las agujas del reloj para que la máquina produzca electricidad en buenas condiciones. Si gira en ese sentido cada sector que pasa por delante de una escobilla ha de recorrer una mayor distancia para llegar hasta la horizontal en donde se encuentran los peines por donde salen las cargas hacia el exterior. Por otra parte al estar movido este disco delantero por una correa que no está cruzada, el sentido de giro del disco y el de la manivela será el mismo, por tanto para que funcione correctamente la máquina hemos de girar la manivela en el sentido de las agujas del reloj. 

Frente al disco posterior, tal como muestra la imagen anterior, se encuentra situada otra barra neutralizadora inclinada de la misma manera. Ahora que hemos girado la máquina y la vemos por detrás, el eje de la manivela desde este punto de vista gira en el sentido contrario de las agujas del reloj, pero como la correa correspondiente está cruzada, el disco trasero también gira, desde este punto de vista, en el sentido de las agujas del reloj. 

Si se aumenta el ángulo de inclinación de las barras neutralizadoras se consigue un incremento en el voltaje, y como consecuencia de ello chispas con una mayor separación entre las esferas. Si el ángulo es menor disminuye el voltaje pero aumenta la intensidad. 

Las barras neutralizadoras se encuentran en contacto con el eje de giro de los discos y todo ello sobre los soportes fijados en la base de la máquina, base que está en contacto con la superficie de una mesa y esta con el suelo, por lo que se considera que las barras neutralizadoras están conectadas a tierra. Estas barras no acumulan carga, pero por ellas circulan electrones en su desplazamiento entre los dos sectores diametralmente opuestos que sucesivamente conectan con sus escobillas. Por todo ello quizás fuese más correcto hablar de barras neutralizadas.

El conjunto de discos y poleas con sus dos ejes giran sobre casquillos alojados en un par de soportes verticales sujetos a la base de madera, o metálica en algunos casos, de la máquina. Estos dos soportes verticales son los que conectan eléctricamente el eje de los discos y las barras neutralizadoras a tierra. Los sectores correspondientes a los dos discos están aislados dado que el material con el que están construidos los discos es aislante, por lo que pueden llegar a contener una gran carga, y por tanto un enorme potencial eléctrico.

Peines descargadores en herradura 

En la siguiente imagen se puede ver el tercer elemento importante para el funcionamiento de la máquina, los dos peines en herradura que se encuentran en posición horizontal, uno a cada lado de la máquina. Mediante estos elementos se extraen hacia el exterior las cargas eléctricas que se generan en los dos discos.

Estos peines se sitúan de forma que por el espacio que forma el interior de la herradura pasen sin rozar los dos discos. Su longitud ha de ser tal que cubra todo el espacio descrito por los sectores.

Los peines en herradura disponen en su interior de puntas afiladas orientadas hacia la superficie de los sectores para permitir la transferencia de cargas entre los sectores y el exterior de los discos. En uno de estos peines se localizara el polo positivo de la máquina y en el otro el negativo. Esta polaridad se mantiene constante durante el tiempo en que la máquina permanece girando, lo cual supuso un progreso respecto de la máquina de inducción de Holtz que era bastante inestable en este sentido, pero una vez en reposo durante un largo periodo de tiempo la polaridad que se consiga cuando se vuelvan a hacer girar los discos puede variar. Para asegurar una polaridad determinada en los peines se ha de seguir un procedimiento específico durante la puesta en marcha.

Durante el funcionamiento de la máquina los peines llegan a tener un gran potencial eléctrico, por lo que se han de aislar para que la carga generada no se pierda por efecto corona. Por esta razón los peines en herradura y el conjunto de sus soportes, construidos en los generadores del siglo XIX de latón, se sujetan sobre dos, o a veces cuatro, largas columnas de vidrio que los aíslan eléctricamente de la base de la máquina.

En la siguiente imagen se puede ver la máquina casi completa. Así dispuesta, las cargas generadas en los discos acaban acumuladas en las esferas metálicas de los soportes de los peines en herradura. Para poder utilizar esta electricidad estática habríamos de conectar los dos peines con el mecanismo que haya de utilizar la electricidad.

Botellas de Leyden 

Para aumentar la cantidad de carga eléctrica que puede llegar a acumular la máquina se pueden añadir, de hecho habitualmente se hace, un par de acumuladores exteriores, las conocidas como botellas de Leyden, que actúan como condensadores. 

Para conectar las botellas de Leyden se fija una varilla metálica en la parte inferior del soporte del peine en herradura. Esta varilla penetra a su vez en el interior de la botella de Leyden a través de su cuello. 

La botella de Leyden está formada por un recipiente de vidrio recubierto en su interior y en su exterior por una lámina metálica de latón o cobre. De esta forma se crea un condensador con dos láminas metálicas entre las que queda un espacio recubierto con un material aislante, en este caso vidrio. De las dos botellas de Leyden, una tendrá en su interior carga positiva y en el exterior carga negativa, la otra tendrá esta polaridad cambiada.

Las botella de Leyden están apoyadas sobre la base de la máquina, por lo que su armadura externa se puede considerar que está conectada a tierra. En las máquinas de Wimshurst las botellas de Leyden acostumbran a tener sus bases unidas mediante un conductor eléctrico. En algunas de ellas existe un interruptor intercalado en medio de este cable.

Mediante el interruptor se puede hacer que las dos armaduras externas de las botellas de Leyden estén conectadas entre si, o aislar la una de la otra.

Levantando la palanca del interruptor se mantiene el circuito abierto, dejando separadas eléctricamente las armaduras exteriores de las dos botellas de Leyden. Con esta disposición se pueden realizar los experimentos de Téploff para producir chispas de colores.[8]

Barras descargadoras 

Una vez dispuestos los dos discos con su mecanismo de giro, las barras neutralizadoras, los peines en herradura y las botellas de Leyden, tan solo queda utilizar la electricidad generada, bien en experimentos de laboratorio o para la alimentación de máquinas de rayos X.

La máquina de Wimshurst dispone de un elemento que facilita la producción de chispas, aprovechando la caga eléctrica acumulada en las botellas de Leyden. Sobre el soporte de los peines en herradura se colocan unas barras articuladas acabadas cada una de ellas en una o dos esferas. Para poder modificar su posición, acercando o alejando las bolas finales dispone cada una de un mango aislante.

La separación que establezcamos entre las bolas, haciendo girar estas barras será el espacio que habrán de salvar las chispas eléctricas. 

Si las esferas las mantenemos relativamente cerca, saltarán las chispas con relativa frecuencia, pero serán poco intensas. Por cada milímetro de distancia en la separación de estas esferas necesitamos unos 3.000 voltios de diferencia de potencial entre los dos bornes de la máquina.

Si separamos las esferas necesitaremos de una diferencia de potencial mucho mayor para conseguir que salten las chispas, aunque la intensidad de estas también será mucho mayor. De alguna manera la distancia que establecemos entre las esferas fija la diferencia de potencial a la que haremos funcionar la máquina. Si separamos las esferas hemos de girar la máquina durante más tiempo para conseguir esta gran diferencia de potencial y que salte una chispa entre las esferas. Si esta separación entre las esferas es demasiado grande la chispa nunca llegará a saltar y la diferencia de potencial máxima de la máquina quedará determinada por las pérdidas de carga eléctrica que por efecto corona se produzcan hacia el aire que rodea, a los discos y a todos los elementos de la máquina que tengan un gran potencial eléctrico.

Funcionamiento de la máquina

La máquina de Wimshurst para empezar a producir cargas eléctricas por inducción, necesita que algún sector de alguno de los discos esté cargado eléctricamente. A partir de aquí, al girar los discos esta carga se irá amplificando. Cuando hablamos de esta carga inicial de un sector hemos de entender que este tiene un desequilibrio en la cantidad de electrones que tiene el conjunto de todos sus átomos. Puede ser que tenga más de los necesarios para mantenerse neutro eléctricamente, y entonces diremos que está cargado negativamente, o que tenga menos de los necesarios para mantenerse neutro eléctricamente, y entonces diremos que está cargado positivamente. Después veremos que existe otra forma de cargar eléctricamente un sector, que incluso puede ser neutro eléctricamente en su conjunto, y es distribuir de forma desigual sus electrones en toda su masa, provocando un exceso de ellos en una zona y una falta en otra. En el caso de los sectores, la cara interna estará cargada con carga de un signo determinado y la cara externa con carga del signo contrario.

Volvamos sobre esa carga inicial que ha de haber necesariamente al poner en marcha la máquina. En opinión de Ducretet esa carga inicial pudiera proceder de la electricidad estática producida por el rozamiento entre las escobillas de cobre de las barras neutralizadoras y los sectores de estaño, aunque otro origen podría estar en el roce entre los dos discos y el aire seco que los envuelve, y sin duda, también puede deberse a una pequeña carga residual remanente fruto de anteriores periodos de funcionamiento de la máquina.[8]

De todas formas es difícil saber la procedencia, la polaridad o la situación del sector en donde se encuentra esa carga inicial. Por todo ello podemos considerar la existencia de esa carga inicial como fruto de un fenómeno aleatorio. Al hacer girar los discos de la máquina de Wimshurst conseguiremos producir carga eléctrica, ya que se trata de un generador de autocebado, pero no podemos pronosticar si el borne positivo será el que se sitúa a la derecha de la máquina o será el de la izquierda. Cebando la máquina manualmente si se puede conseguir fijar la polaridad de los bornes de la máquina como deseemos.

Inicio de la carga

Consideremos el disco de la máquina que está del lado de la manivela y que cuando el generador funciona gira en el sentido de las agujas del reloj. A este disco le denominaremos disco delantero. Al disco enfrentado a este le denominaremos disco posterior o trasero. 

Vamos a suponer que la carga inicial se encuentra en un sector del disco posterior situado frente a un sector del disco delantero que está tocando la escobilla superior de la barra neutralizadora correspondiente al disco delantero. Desde el lado de este disco delantero es desde donde lo estamos viendo en la imagen siguiente.

Si nos acercamos a los dos sectores implicados podemos ver que el sector del disco posterior no es neutro eléctricamente, está cargado positivamente, es decir le faltan electrones para poder estar en estado neutro. Al estar situado frente a ese otro sector del disco delantero, y gracias a lo que determina la ley de Coulomb, induce sobre el una carga, pero esta nueva carga no se crea por una adición o sustracción de electrones, sino por la desigual distribución de los electrones en ese sector. La carga positiva del sector posterior repele las cargas positivas del delantero y atrae sus cargas negativas. En la práctica solamente se pueden mover las cargas negativas, es decir, los electrones, ya que los protones están dentro del núcleo de los átomos de un sólido y por tanto sin movilidad. Pues bien esos electrones se desplazan de forma que exista una desigual distribución entre la cara exterior del disco, más alejada de la carga positiva del sector posterior y la cara interior del disco, más cercana a la misma. Mas cerca de la carga positiva original se crea una zona cargada negativamente y en la otra cara del sector delantero una zona cargada positivamente.

A continuación podemos ver ese mismo fenómeno pero desde la parte posterior de la máquina. Aquí se aprecia más claramente la separación de carga entre las dos caras del sector del disco delantero.

En este preciso momento, aunque es algo que ocurre simultáneamente, y teniendo en cuenta que el sector delantero está haciendo contacto por su cara exterior con la escobilla superior de la barra neutralizadora y la escobilla inferior de esta barra hará contacto con un sector descargado y neutro eléctricamente, para equilibrarse, algunos electrones del sector inferior se desplazarán subiendo por esta barra atraídos por la carga positiva de la cara exterior del sector superior.

A continuación vamos a ver como quedarán los dos sectores que estaban conectados por medio de la barra neutralizadora, cuando el disco delantero haya girado el espacio correspondiente a un sector en el sentido de las agujas del reloj. El disco trasero y la carga original positiva también girarán pero en el sentido contrario a las agujas del reloj.

A continuación podemos ver que el sector que estaba situado enfrente de la carga original y que a través de la barra neutralizadora recibió electrones, ahora está cargado netamente con carga negativa. A partir de aquí seguirá avanzando hacia la derecha para descargar estos electrones en el peine de herradura.

Por otra parte el sector inferior que había perdido algunos electrones ya no es neutro eléctricamente hablando y por eso tiene carga positiva. Al continuar girando el disco este sector se desplazará hacia la izquierda para dejar su carga positiva en el correspondiente peine en herradura. En realidad dejar su carga positiva es equivalente a arrancar unos pocos electrones a ese peine y a todo lo que esté conectado con él, incluida la armadura interna de una de las botellas de Leyden.

Estas dos cargas inducidas son más pequeñas que la carga original. 

Descarga de las cargas contenidas en los sectores

Si giramos lo suficiente la carga original llegará hasta el peine en herradura de la izquierda y dejará su carga, en lo que se corresponde ahora con el borne positivo de la máquina.

Segunda inducción 

Girando un poco más los dos sectores con cargas inducidas por la carga original se sitúan frente a dos sectores del disco posterior que están conectados por las escobillas de la barra neutralizadora correspondiente. Se produce el mismo efecto que causó la carga original, pero ahora en los dos sectores inferior y superior a la vez.

Si lo vemos desde la parte de atrás, el sector del disco delantero que se encuentra arriba y que está netamente cargado negativamente induce sobre el sector del disco posterior una carga positiva por su cara interna y una negativa sobre su cara externa, que es la que toca con la escobilla. En esta zona sobran electrones.

Si nos fijamos ahora en los dos sectores de la parte de abajo de los discos, el sector del disco delantero que está netamente cargado positivamente induce sobre el sector del disco posterior una carga negativa por su cara interna y una positiva sobre su cara externa, que es la que toca con la escobilla. En esta zona faltan electrones.

Por este motivo a través de la barra neutralizadora bajarán los electrones desde el sector superior al sector inferior del disco trasero, y lo harán en mayor cantidad, ya que ahora existen cargas inducidas y de signo contrario en las dos caras exteriores que están en contacto con las escobillas.

Cuando el disco trasero, visto desde la parte de atrás de la máquina, gire el espacio correspondiente a un sector en el sentido de las agujas del reloj, los dos sectores sobre los que ha tenido lugar este segundo proceso de inducción, quedaran netamente cargados eléctricamente en una cantidad mayor que la producida por la carga inicial. El sector superior se desplazará hacia la derecha cargado positivamente para acercarse al borne izquierdo de la máquina que es el positivo. El sector inferior se desplazará hacia la izquierda cargado negativamente para acercarse al borne derecho de la máquina que es el negativo.  

A medida que giran los discos las interacciones entre los sectores del disco delantero y trasero se multiplican, de forma que estas múltiples inducciones hacen que todos los sectores acaben cargados con carga de uno u otro signo.

Estado de la carga en las distintas zonas de los discos 

En el disco delantero los sectores acaban estando cargados de la siguiente manera, a partir de su paso por las escobillas de la barra neutralizadora. En su mitad superior están cargados negativamente y en la inferior positivamente.

De forma inversa, en el disco trasero los sectores acaban estando cargados de la siguiente manera, a partir de su paso por las escobillas de la barra neutralizadora correspondiente. En su mitad superior están cargados positivamente y en la inferior negativamente.

Los sectores inferiores del disco delantero suben para dejar su carga positiva en el borne izquierdo de la máquina y los sectores superiores del disco trasero bajan para hacer lo mismo con su carga positiva.

Por otra parte los sectores superiores del disco delantero bajan para dejar su carga negativa en el borne derecho de la máquina y los sectores inferiores del disco trasero suben para hacer lo mismo con su carga negativa.

Si consideramos a la vez los dos discos, los sectores situados arriba y abajo de estos dos discos tienen cargas opuestas, y en los lados derecho e izquierdo tienen cargas iguales.

De esta forma los bornes positivo y negativo de la máquina y las botellas de Leyden que están conectadas a ellos cada vez adquieren más carga y potencial eléctrico.

Oposición de las cargas en los sectores con carga del mismo signo 

Cuando dos sectores, uno del disco delantero y otro del disco trasero, se encuentran frente a las puntas internas del peine en herradura las cargas que contienen son del mismo signo, por lo que necesariamente han de repelerse.

Vamos a fijarnos en el borne derecho de la máquina, que en estos momentos actúa como polo negativo de la misma. En un momento determinado se sitúan frente a las puntas del mismo un sector del disco delantero y otro del disco trasero. Los dos traen una carga neta negativa, tienen un exceso de electrones. Dado que los dos tienen esta carga neta negativa sus cargas se repelerán, o lo que es lo mismo, sus electrones tenderán a alejarse situándose en mayor densidad en la cara externa del sector, aumentando con ello el potencial en esa zona.

Por tanto tendremos que al situarse un sector frente a otro hemos aumentado su potencial de carga negativa en su cara exterior cerca de las puntas del peine en herradura.

Creación de un gran potencial de campo en las puntas

Este potencial negativo induce unas cargas positivas en las puntas del peine. Dicho de otro modo, repele los electrones que se encuentran en las puntas del peine.

Dado que en los elementos conductores, como son los sectores y el peine en herradura, la carga se distribuye de forma equitativa por toda su superficie, es decir que por cada unidad de superficie hay la misma cantidad de carga, debido a la forma que tienen las puntas, en ese pequeño volumen existirá más carga ya que contiene más superficie que otros volúmenes equivalentes de la herradura. Esta mayor cantidad de carga le proporciona un potencial mayor, suficiente para arrancar algún electrón de las moléculas de aire que rodean las puntas. En esta zona el aire se ioniza y crea un canal conductor de la electricidad entre la superficie del sector y las puntas del peine. De esta forma se puede cebar el arco que permita llevar electrones de un sitio a otro.

Colocando la máquina en un lugar oscuro se verán pequeños arcos morados alrededor de todas las puntas de los peines. Por otra parte, también se puede ver la descarga de corona que irradia desde los bordes de los discos.  

 

Siempre que la diferencia de potencial entre la superficie del sector y el peine en herradura sea lo suficientemente grande los electrones saltaran hacia las puntas. En el momento en que esta diferencia de potencial baje de un cierto valor este flujo de electrones cesará. Dicho de otro modo, cuando un sector comienza a descargarse va disminuyendo su potencial, y por tanto la diferencia de potencial con respecto a las puntas del peine, por lo que los sectores nunca se descargan totalmente.

A cada giro que completa un sector aumenta su potencial cuando llega al peine en herradura con respecto al ciclo de carga anterior. De la misma forma también aumenta paulatinamente el potencial en los peines y en las botellas de Leyden. Todo esto hasta que salta la chispa entre las dos esferas, los condensadores se descargan, el potencial remanente en los sectores también cae y todo vuelve a comenzar hasta conseguir de nuevo el potencial suficiente para que salte la próxima chispa.

La intensidad del campo inductor es mucho mayor

Para entender uno de los motivos por los que la carga en la máquina de Wimshurst crece exponencialmente a medida que giramos sus discos observaremos la imagen siguiente. Estamos viendo desde la parte delantera de la máquina un sector en el disco delantero que está en contacto con la escobilla superior de su barra neutralizadora. 

Cuando la máquina está en funcionamiento el sector enfrentado a él del disco posterior tiene una carga neta positiva, pero también la tienen los otros sectores anteriores y posteriores a este, por lo que todos ellos contribuirán a atraer los electrones del sector del disco delantero. Por este motivo será más intensa la carga negativa que se genera en su cara interior y también la positiva que se crea en su cara exterior. Por ello la cantidad de electrones que subirán por la barra neutralizadora también será mayor, que si solamente considerásemos la carga positiva del sector del disco posterior directamente enfrentado a él. De resultas de todo ello, este sector del disco delantero cuando el disco gire un espacio quedará cargado netamente con muchos más electrones y por tanto mucho mas cargado netamente con signo negativo.[9] [10]

En la práctica podemos considerar solo estos tres sectores del disco posterior, ya que los otros al estar más distantes ejercen una influencia menor.

Incremento del potencial en los sectores

Pensemos en un sector cualquiera, después de dejar la escobilla de la barra neutralizadora, a medida que gira el disco y que este sector se cruza con los sectores del disco posterior, su intensidad de campo eléctrico va aumentando hasta llegar al peine en herradura. Los sectores entre la escobilla de la barra neutralizadora y el peine en herradura distribuyen el campo eléctrico de forma más uniforme a través del espacio, reduciendo la diferencia de potencial entre dos sectores consecutivos. Debido a esto, la máquina funciona mejor con muchos sectores que con pocos. 32 o 40 sectores son lo habitual, pero 16 o 24 son suficientes para un rendimiento razonable. El mínimo es 8, tal vez 6.[9]

Generación de chispas

La corriente máxima de salida en una máquina de Wimshurst depende esencialmente del área ocupada por los sectores en los discos y de la velocidad de rotación. En funcionamiento la máquina actúa como fuente de corriente para una carga conectada a sus bornes, incluyendo las pérdidas por efecto corona y las chispas. 

Las chispas brillantes requieren una corriente intensa. El descargador de chispas suele constar de dos bolas metálicas conectadas mediante una barra a los peines en herradura. Se pueden obtener chispas significativamente más largas añadiendo una bola más pequeña al terminal positivo. Esto aumenta el campo eléctrico alrededor del terminal positivo, forzando la ionización del aire en el lado positivo del descargador, en lugar del lado negativo, como ocurre con un descargador simétrico. 

La ionización positiva forma una estructura similar a una columna (visible en la oscuridad) que apunta en dirección opuesta al terminal positivo y que se conecta fácilmente a la corona difusa que emite el terminal negativo. Cuando se establece la conexión, se produce una chispa, y los electrones fluyen del terminal negativo al positivo. Las chispas cortas se observan como líneas rectas brillantes. Las chispas más largas son más irregulares y pueden presentar ramificaciones, casi siempre en dirección al terminal negativo. En chispas cortas, el extremo positivo es más brillante, especialmente en chispas obtenidas sin añadir botellas de Leyden, debido a una corriente más concentrada. En chispas largas, el extremo positivo siempre es una línea recta perpendicular a la superficie de la esfera, con el lado negativo irregular y un poco más brillante. 

Cuando las esferas están cerca de la separación máxima, se producen con frecuencia chispas fallidas. Las cargas que la formación de la chispa drena de estas esferas reducen el voltaje entre ellas, y la chispa se disipa antes de completarse. Una mayor capacitancia en las botellas de Leyden puede extender ligeramente la longitud máxima de la chispa, al proporcionar más carga para completar chispas que fallarían. 

Añadir una bola más pequeña en la barra negativa no alarga las chispas. Los electrones son expulsados ​​por el intenso campo eléctrico y se dispersan rápidamente por el aire en lugar de formar una trayectoria ionizada. Esto va acompañado por un silbido característico. La bola más pequeña no necesita estar conectada eléctricamente al terminal positivo principal. Es aún más efectiva si se separa de la bola más grande mediante un pequeño trozo de aislante (un tubo de plástico corto, por ejemplo). Las pequeñas chispas entre la bola más grande y la más pequeña aparentemente aumentan la ionización alrededor del terminal, y la separación reduce la pérdida de carga al aire. En cualquier caso las chispas más largas se obtienen con las barras neutralizadoras en ángulos altos, de 60 grados. Una menor inclinación aumenta ligeramente la intensidad de la corriente de salida. 

Una disposición interesante para las esferas de las barras descargadoras es la que podríamos denominar de esfera-plano, en la que se reemplaza la esfera negativa por un disco con bordes redondeados. Este tipo de separación requiere menos voltaje para producir una chispa y puede generar chispas muy largas.

Las bolas terminales deben tener un diámetro acorde a las capacidades de la máquina, es decir a la máxima diferencia de potencial posible entre sus bornes. Una disposición simétrica con dos esferas produce chispas aproximadamente de hasta 4 veces el diámetro de estas esferas. Un espacio entre dos esferas con una de ellas con una superficie plana alcanza chispas aproximadamente de 8 veces el diámetro de la esfera. 

En la práctica se puede tomar aproximadamente por longitud máxima de chispa a la suma de las distancias entre sectores adyacentes a lo largo de un tercio de la periferia de un disco, D. Las bolas se pueden dimensionar en base a esto, con bolas con un diámetro D/4 para un espacio simétrico y D/8 para un espacio entre esferas, en la que una de ellas tenga una cara plana. Un espacio con dos esferas de diferente tamaño puede usar estos dos tamaños, quizás con la bola grande mayor que D/4. Si la bola pequeña está aislada de la bola grande, puede ser incluso menor que D/8.[9]

Uso del generador como motor

Todas las máquinas de inducción son reversibles, y la máquina de Wimshurst también lo es. Conectando los peines de una máquina con los de otra mediante un cable grueso y aislado y colocando a una cierta distancia una de las máquinas podría poner en movimiento a la otra.[8]

[1] Pour une préhistoire de l’électricité: la Grèce antique et l’ambre jaune, Laurent Pernot, Bulletin d'histoire de l'électricité  Année 1983  2  pp. 19-30

[2] Experimenta nova (ut vocantur) magdeburgica de vacuo spatio, Otto von Guericke, Amsterdam, J. Jansson à Waesberge, 1672

[3] Guericke’s Sulphur Globe, Annals of Science, Heathcote, N. H. de V., Vol. 6, No. 3, February 1950, pp. 293-305

[4] La Gaceta industrial, 1875, páginas 247, 259, 

[5] La Publicidad, 19 de mayo de 1875, página 3

[6] La Gaceta industrial, 1876, página 249 

[7] El Porvenir de la industria, 7 de abril de 1876, página 4

[8] Cosmos: revue des sciences et de leurs applications, La machine de Wimshurst, E. Ducretet, 19 de septiembre de 1891, página 204

[9] Operation of the Wimshurst machine, Antonio C. M. de Queiroz, 1996 

[10] Elementos de Física, Eduardo Lozano y Ponce de León, Establecimiento tipográfico de Jaime Ratés, Madrid, 1907

[11] ELECTRICAL EXPERIMENTS - A Manual of Instructive Amusement, G. E. BONNEY, London, 1897, página 175

[12] El mundo físico, electricidad, magnetismo T3, Guillemin, Amédée, 1882