Una máquina de Wimshurst tiene tres elementos principales, dos discos giratorios situados uno frente a otro, dos barras neutralizadoras y dos peines colectores. En el grabado anterior los extremos de la barra neutralizadora situada sobre el disco delantero están identificados con las letras A y B. La barra neutralizadora cuyos extremos C y D frotan sobre el disco trasero se muestra difuminada, ya que en realidad solamente podrá verse si los discos son transparentes por ser de vidrio o plástico. Los dos peines colectores están identificados con las letras E y F. Al girar la manivela la correa cruzada hace que gire el disco delantero. Otra polea situada sobre el mismo eje de la manivela hace girar el disco trasero, mediante una correa no cruzada, de forma que los dos discos giran en sentido contrario.
Los dos discos, de entre 30 y 40 centímetros de diámetro, están construidos de un material dieléctrico, como el vidrio o el plástico, y sobre ellos se han pegado en su periferia, y en una disposición radial, un número par de tiras metálicas, que denominamos sectores. 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.
Las barras neutralizadoras están situadas en un ángulo cercano a 60º con respecto a la horizontal, tanto la del disco delantero como la del disco trasero. Si este ángulo de inclinación es mayor 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. Los extremos de cada barra tienen escobillas metálicas que hacen contacto y ponen en comunicación, en cada momento durante el giro, a dos sectores metálicos opuestos con respecto al centro de giro. Por esta razón es tan importante que el número de sectores sea par.
Las escobillas de los brazos neutralizadores y los sectores del disco pueden estar hechos de metales diferentes. Las escobillas acostumbran a ser de cobre o bronce, mientras que las láminas de los sectores de los discos pueden hacerse de diferentes metales, incluso de aluminio, aunque en las máquinas construidas en el siglo XIX se hacían de estaño.
En la imagen siguiente se muestra la forma en la que se distribuye la carga eléctrica en el disco frontal cuando los dos discos están girando en sentido contrario. Las barras neutralizadoras delanteras y traseras recogen las cargas y las desplazan hacia los cuadrantes en los que los peines colectores las pueden recoger para llevarlas hacia las botellas de Leyden.
El generador de Wimshurst es una máquina de inducción, por lo que la fricción no es el fenómeno utilizado en el mismo para generar carga electrostática, aunque puede ser el origen de las pequeñas cargas necesarias para iniciar el cebado del proceso de inducción cuando se comienza a girar la manivela. Tal como se muestra en la figura anterior, cuando la máquina está girando, en los discos se van creando unas zonas, o cuadrantes, en donde se acumula, o bien la carga negativa, o bien la carga positiva generada por un proceso de inducción entre los discos delantero y trasero. A medida que las placas giran, estas cargas positivas y negativas, que se encuentran en los sectores metálicos, se extraen fuera de los discos por medio de los peines colectores. Estos peines en forma de U están dotados de puntas metálicas enfrentadas a las caras de los dos discos. Al girar los discos los diferentes sectores pasan por la parte interna de la U del colector sin tocarlo, delante de las puntas de los peines, cediendo las cargas eléctricas a estos. Las puntas de los peines no han de tocar los sectores, pero si estar lo suficientemente cerca para que se produzca la transferencia de cargas con facilidad. Los peines colectores están montados sobre una base aislante y conectados a unas barras metálicas terminadas en esferas de descarga, y a su vez al elemento central de las botellas de Leyden.
El proceso de inducción que se ha de producir al girar la manivela de la máquina necesita que exista una pequeña carga inicial en algún punto de los discos. Incluso antes de girar la manivela, los discos acostumbran a tener algunas cargas estáticas en su superficie. Estas pequeñas cargas se generan por el roce y la manipulación accidental del mecanismo. Si esto no fuese así, cuando comienzan a girar los discos, por efecto del roce de las escobillas contra los sectores y la parte no metálica del disco, mediante un proceso de efecto triboeléctrico, siempre se arrastraran los suficientes electrones de un elemento metálico a otro metálico, o no metálico, como para generar esas pequeñas cargas que permitan iniciarse el proceso de inducción. A partir de ahí el generador de Wimshurst utiliza estas pequeñas cargas, de forma que al hacer girar la manivela las amplifica y comienza a generar electricidad.
Volviendo a la imagen anterior, supongamos que en la zona del cuadrante DB del disco trasero existe una ligera carga negativa antes de que se comience a girar la manivela. Eso hace que se induzca una pequeña carga positiva en el disco delantero en esa misma zona. Al girar la manivela, los electrones que se encuentran en el sector metálico del disco delantero en el punto B son repelidos por los electrones acumulados en esa zona del disco trasero. Eso los empuja hacia arriba a través de la barra neutralizadora hasta el punto A, que es un lugar hacia donde los electrones tendrán tendencia a fluir, debido a que el disco trasero tiene una carga positiva en esa zona. Eso hace que la zona del cuadrante DB del disco delantero, que tiene carencia de electrones, se vaya cargando con una carga positiva neta, y la zona del cuadrante AC del disco delantero, que tiene una gran abundancia de electrones, se cargue a su vez más negativamente.
En el disco trasero, que gira en dirección contraria, todo este proceso de generación y distribución de cargas funciona de manera inversa. Los electrones se mueven a través de la barra neutralizadora trasera desde el punto C hasta el punto D. Por lo tanto, en el disco trasero, la zona del cuadrante AC se vuelve cada vez más positiva y en la zona del cuadrante DB se acumulan cada vez más cargas negativas. Eso permite a su vez que la barra neutralizadora delantera recoja más electrones repelidos de su zona del cuadrante DB para llevarlos a su zona del cuadrante AC y así sucesivamente.
En la zona de los peines colectores, los discos delantero y trasero tienen carga del mismo signo. Las cargas de los discos se repelen entre sí en esas zonas, por lo que se situaran en la parte exterior de las láminas metálicas que forman los sectores, y por tanto, lo más cerca posible de las puntas de los peines colectores. Esto permite que los peines colectores recojan estas cargas y las envíen a las botellas de Leyden y las esferas de descarga. Las cargas seguirán acumulándose hasta que una fuga superficial o una chispa entre las esferas de descarga las disipe.
Se puede ver la fuga de carga colocando el dispositivo en la oscuridad, colocando las esferas de descarga a una distancia adecuada y observando la descarga de corona que irradia desde los bordes de las placas. También se verán pequeños arcos morados alrededor de todos los peines.
Si se deja una distancia de dos a cinco centímetros entre las esferas de descarga, se produce una lluvia continua de chispas que saltan entre las esferas. Si se conectan las botellas de Leyden a las esferas de descarga, se pueden separar las bolas a una distancia mayor para producir grandes chispas crepitantes.
Estudio teórico de la máquina en textos antiguos
En la revista Archives d'électricité médicale del 15 de octubre de 1898 apareció el artículo Sur la théorie de la machine de Wimshurst, firmado por el doctor Ch. Truchot, profesor de física médica en la Universidad de Clermont-Ferrand. Al parecer Pélisier en el Journal de physique de 1891 reconocía que tras el estudio del funcionamiento de la máquina Wimshurst la conclusión a que había llegado era que la causa del cebado espontáneo de la misma no podía determinarse con absoluta precisión, aunque el origen de esa pequeña carga existente en algunas zonas de los discos antes de iniciar su rotación podía relacionarse con una carga residual existente en los discos después de haberse utilizado la máquina, aunque también podía deberse al rozamiento de los discos con el aire que los rodea, a la existencia de zonas atmosféricas con diferente potencial, o a las cargas producidas en los discos por el rozamiento mecánico con otros elementos de la máquina.
En el caso de otras máquinas electrostáticas diferentes de la Wimshurst para empezar a producir electricidad se habían de cebar acercando una varilla de ebonita cargada eléctricamente a una de sus barras neutralizadoras.
Pélisier también estudió el funcionamiento de la máquina de Wimshurst sin sectores, que parece ser que en ese momento era la más utilizada. En este caso era necesario el cebado de la máquina, ya que no podía producirse el cebado espontaneo. El cebado se podía llevar a cabo de dos maneras, una de ellas consistía en tocar la superficie de uno de los discos con la yema de un dedo impregnada en oro musivo, también se conseguía el mismo efecto acercando una varilla de ebonita cargada eléctricamente al extremo de una de las barras neutralizadoras, a partir de aquí se producía un efecto inicial de inducción.
La distribución de las cargas en los dos discos se encuentra representada en el siguiente esquema.
En la revista La Nature: revue des sciences et de leurs applications aux arts et à l'industrie del 5 de noviembre de 1887 se describe la máquina de Wimshurst construida por Bonetti. Se trata de una máquina con discos de 20 centímetros de diámetro y 40 sectores de lámina de estaño por disco. Las escobillas de las barras neutralizadoras eran de latón. Con esta máquina se obtenía un cebado espontáneo incluso en tiempo húmedo. Con ella se conseguían descargas entre sus esferas cuando estas estaban separadas a 8, e incluso a 9 centímetros.
En la revista Cosmos: revue des sciences et de leurs applications del 19 de septiembre de 1891 se describe el funcionamiento de la máquina de Wimshurst.
LA MÁQUINA DE WIMSHURSTEXPERIENCIAS DEL CURSO
Teoría de la máquina de Wimshurst. - La máquina Wimshurst pertenece a la categoría de las máquinas de inducción (Tal como lo han descrito De Varley, Tœpler, Sir William Thomson, Voss, etc.), de las cuales la conocida es la máquina de Holtz. Se diferencia de ella principalmente en la forma en que comienza a generar electricidad, sólo hay que ponerla en movimiento para que comience por si sola, sin necesidad de proporcionar una carga inicial a sus inductores. La máquina de Wimshurst es por tanto autoexcitatriz.
Según se muestra en las figuras 1 y 2, la máquina de Wimshurst dispone de dos discos (Siguiendo el consejo del Sr. Wimshurst, los discos D D' están hechos de vidrio, ya que son preferibles a los que se hacen con ebonita.) D D‘, aislados entre sí y girando en sentido contrario. Los dos conductores p p' p" p'" diametrales llevan en su extremo escobillas metálicas pequeñas y flexibles, que hacen contacto con los sectores pegados en los discos. Estos sectores están hechos de estaño con un relieve especial del tipo E D.
— La figura 2 muestra ambos lados del exterior de esta máquina y la posición inversa de los portaescobillas p p' p" p"’. La figura 1 muestra la dirección de rotación del disco que se encuentra en el lado de los condensadores C C‘, su correa de transmisión no está cruzada. Al otro lado la correa está cruzada, por lo que el segundo disco gira en dirección opuesta al primero. Los conductores diametrales se comunican entre ellos con el eje y con el suelo.
Para mostrar más claramente los procesos de inducción que tienen lugar en la máquina de Wimshurst, usaremos el modo de representación grafica utilizado por Bertin para mostrar el funcionamiento de la máquina Holtz. La figura 2 muestra el diagrama imaginado por este científico, los discos están representados por dos cilindros concéntricos, en cuya superficie se disponen gotas de metal que se corresponderían con los sectores. Todas las letras de este diagrama tienen su equivalente en las de la Figura 1.
La dirección de las flechas indica la dirección de rotación de los cilindros D D' alrededor del eje Ax. Es indispensable que las escobillas de los conductores diametrales p p' p" p'" siempre estén en contacto con dos sectores diametralmente opuestos. Disponiendo estos sectores de un cierto relieve las escobillas siempre frotarán sobre ellos con seguridad.
El origen de la carga inicial puede atribuirse a uno de los tres casos siguientes:
— 1° Electricidad de contacto desarrollada por el roce entre la escobilla de cobre con sector de estaño.— 2° Rozamiento del aire seco situado entre los dos discos.— 3° Carga residual permanente, “remanente”.
— El hecho de que la carga inicial provenga de una de estas causas u otra, tiene mucha importancia, considerando además que los peines, conductores y condensadores no juegan ningún papel en la base del funcionamiento de la máquina, excepto para extraer la carga eléctrica hacia el circuito externo E E'. La acción inductiva de la máquina es más rápida y potente cuando todos estos órganos se retiran y solo quedan los dos portaescobillas o conductores diametrales pp' p"p'".
En estas condiciones rudimentarias, el cebado sigue siendo instantáneo, su excitación progresiva, y pronto toda la máquina se vuelve brillante y la resistencia al movimiento muy alta, mientras la máquina está aislada del exterior. En la oscuridad podemos seguir fácilmente la distribución del flujo de electricidad y las descargas luminosas que salen de las escobillas. Esta brillante experiencia es muy interesante.
Consideremos ahora (siguiendo la Figura 2 en su conjunto) dos sectores enfrentados que forman un pequeño condensador de aire y vidrio y se establece entre ellos una diferencia de potencial, uno débilmente positivo y el otro negativo, lo cual se puede verificar fácilmente con un electroscopio con hojas de pan de oro. La rotación inversa de los discos DD' pone a estos sectores en contacto con las escobillas de los conductores diametrales, que toman una carga positiva y negativa, tal como se puede ver en la Figura 2.
Entonces, suponiendo que el disco delantero D' gira en el sentido de las agujas del reloj (fig. 1 y 2), este sector que al ponerse en contacto con la escobilla metálica ha tomado una pequeña carga (supongamos que positiva) al ir hacia la derecha, actuará por inducción sobre los sectores del disco trasero D que van hacia la izquierda, y les inducirá una carga negativa cuando estén en contacto con la escobilla del conductor diametral.
No se ha de olvidar que los dos conductores diametrales se comunican entre sí a través del eje de la máquina y que no están aislados y, por tanto, que se comunican con tierra.Cuando el sector del disco delantero, que estamos considerando, pasa por delante de las puntas metálicas del peine P, pierde su carga positiva, que pasa entonces a la superficie exterior del conductor e E. En todos los sectores que descienden ocurre algo similar. Del mismo modo los del disco trasero que se elevan, se suman para comunicar una carga positiva al conductor eE. Si seguimos de nuevo la trayectoria del sector que estamos estudiando, después de pasar por las puntas del peine P, está en estado neutro, pero pronto entra en contacto con la escobilla inferior y recibe una carga negativa del sector diametralmente opuesto. Se repite el mismo conjunto de acciones con esta carga negativa subiendo hacia la izquierda, y, tal como se muestra en la Figura 2, vemos que este sector entrega su carga negativa al conductor izquierdo eE'. Lo mismo se puede decir de los sectores del disco posterior que descienden hacia la izquierda. La misma secuencia de acciones se repite para todos los sectores, simétricamente, en las dos mitades opuestas de un mismo disco y en ambos discos al mismo tiempo, siendo su movimiento simétrico e inverso.
Ésta es, según el autor, el Sr. Wimshurst, la teoría de su notable máquina. Es fácil comprobar el estado de todos los elementos.
Las bolas E E' deben estar separadas entre sí durante la carga, el máximo de la misma se alcanza rápidamente después de un cierto número de revoluciones de los discos. En este momento las descargas se suceden regularmente entre E E‘. Normalmente, la longitud de la chispa puede alcanzar una dimensión equivalente a la longitud del radio del disco. La máquina Wimshurst funciona en todas las condiciones climáticas y nunca invierte su polaridad mientras está en marcha. Con la máquina de Holtz no ocurre lo mismo. La longitud de la chispa se incrementa terminando los conductores articulados e e', en unas bolas EE de diámetros diferentes, pero entonces es necesario colocar la bola pequeña en el lado positivo de la máquina.
Al igual que en otras máquinas de inducción, la superficie de los conductores se aumenta considerablemente, sin ocupar mayor espacio, al colocarlos en comunicación directa a través de los conductores a a' con las armaduras internas de un condensador doble C C'. Estas botellas de Leyden tienen sus armaduras exteriores unidas entre sí por un conductor móvil II', cuya apertura permitirá la realización de los hermosos experimentos de Téploff, sobre chispas de colores. Cuando la máquina está equipada con sus condensadores, la chispa se vuelve un poco menos frecuente, pero es incomparablemente más brillante y ruidosa.
El modelo más adecuado para los experimentos del curso de física debe tener discos de unos 55 centímetros de diámetro; Cuatro discos, que forman dos máquinas acopladas en paralelo, garantizan un flujo potente y una chispa prolongada. La figura 3 muestra la máquina más grande de este tipo; Apareció en la Exposición Universal de 1889 (Sección 15). Disponía de doce grandes discos de vidrio de 0,755 m de diámetro, o seis máquinas acopladas.Sus chispas alcanzaban una longitud de 40 centímetros, con un caudal tal que las descargas eran auténticas detonaciones continuas.
Su funcionamiento, durante toda la duración de la Exposición y en todas las condiciones climáticas, demostró a los físicos y médicos que podían tener la mayor confianza en estas máquinas, asegurando la producción de la electricidad necesaria para el tratamiento de pacientes o para experimentos científicos.El juego de órganos descrito en el primer artículo se aplica exactamente al de los diferentes tipos de máquinas múltiples de Wimshurst.
Entre A y B (fig. 3) hay una placa T, de vidrio o ebonita, de cierta longitud, sobre la que se fijan limaduras de zinc mediante un revestimiento. Las chispas saltan por toda la superficie de esta placa metálica, en forma de líneas luminosas dispuestas en zigzag, con numerosas e irregulares ramificaciones. Simulan un rayo; la coloración de estas rayas de fuego se debe seguramente a la volatilización de partículas del metal depositadas sobre esta placa brillante.
Este hermoso experimento se puede realizar con todo tipo de máquinas Wimshurst.
Es necesario, en un cierto número de experimentos y sobre todo en aplicaciones médicas, como veremos más adelante, reconocer rápidamente la polaridad de las bolas, colocadas en los extremos de los conductores de las máquinas, es decir E E‘ de las figuras 1 y 2. No todos los electroscopios conocidos realizan prácticamente esta exploración. La figura 4 es un nuevo dispositivo que creé para este propósito. Este electroscopio muy sensible se compone esencialmente de una horquilla C C, muy móvil entre los pivotes XX, fijado al soporte E colocado en una columna aislante con un mango m y pie P. En la horquilla C C gira una aguja plana A (de ebonita, por ejemplo). Una ranura y un pasador de tope garantizan una posición invariable; En estas condiciones, este conjunto bien equilibrado adopta una posición horizontal.
Para reconocer la polaridad de los conductores de una máquina de electricidad estática, o la de cualquier cuerpo electrizado, basta sacar la aguja A de su capuchón, frotarla, por el lado marcado —, con una buena piel de gato o con un paño de lana muy seco, mientras se sostiene la aguja A directamente en la mano por el lado opuesto a —. La aguja, colocada de nuevo en la horquilla, se acerca al conductor. Como está electrificada negativamente, será repelida por cualquier cuerpo electrificado negativamente, o atraída por aquellos que estén electrificados positivamente. Las electricidades del mismo signo se repelen entre sí.
Durante esta exploración es necesario girar la máquina eléctrica muy lentamente y no poner la aguja A en contacto directo con el conductor cuya polaridad queremos conocer.
La figura 4 muestra una segunda aguja A' similar a la primera (depende del electroscopio); electrificados de la misma manera que A en el lado marcado con — y sostenidos en la mano por el extremo opuesto, se repelerán fuertemente entre sí cuando se acerquen. La repulsión es fuerte, sin oscilación, ni hacia arriba ni hacia abajo, dependiendo de la posición de A' con respecto a A. El uso de este electroscopio es rápido y muy sencillo.
Es preferible, ya sea para electrificar A y A' como para sujetar A', cubrir los dos dedos de la mano con protectores de goma blanda, pero no es obligatorio.
Más adelante indicaremos otras formas rápidas para reconocer la polaridad de la máquina.
Todas las máquinas de inducción son reversibles, y la máquina de Wimshurst también lo es. Holtz ya había conseguido este efecto, pero con dos máquinas de diferente construcción. Posteriormente lo consiguió Poggendorff (Annales de chimie et de physique, volumen XIII, 1868, página 442), utilizando dos máquinas de Holtz similares. Al igual que Holtz, conectó los peines de una máquina con los de la otra mediante un cable grueso y aislado. De esta manera, colocando a una cierta distancia una de las máquinas podría poner en movimiento a la otra. El Sr. Mascart, en el volumen II de su tratado sobre electricidad estática, describe esta interesante experiencia de curso: una de las máquinas consume lo que la otra produce, hay transporte de energía.
(Continuará.) E. Ducretet.
En libro de 1910 Électricité médicale, se describe el uso de la máquina de Wimshurst con fines terapéuticos.
Experiencias
Colocando la llama de una vela entre las dos esferas de la máquina de Wimshurst y haciéndola girar se consigue que la llama se incline hacia uno de las esferas.
Construcción de una máquina de Wimshurst
Los alumnos del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Zaragoza construyeron en 2010 un modelo de máquina de Wimshurst.
No hay comentarios:
Publicar un comentario