Máquinas de Wimshurst

Esta fantástica explicación del funcionamiento de la máquina de Wimshurst se ha extraído de Hackaday.

La máquina de Wimshurst es una de las máquinas electrostáticas más antiguas y conocidas, compuesta por dos discos contrarrotatorios y dos botellas de Leyden. Es frecuente ver a alguien accionándola manualmente, produciendo chispas, aunque se puede utilizar para muchas otras cosas, como alimentar un filtro electrostático para limpiarlo e incluso un láser.

Funciona mediante una interesante secuencia de eventos. La mayoría de las explicaciones intentan condensarlo todo en una sola imagen, lo que requiere un gran esfuerzo mental para visualizarlo. Esto a menudo hace que la gente se dé por vencida, resignada a asumir que funcionan mediante mecanismos míticos que desafían la capacidad de comprensión de un mortal.

Así que, en lugar de eso, haremos una explicación paso a paso.

El comienzo: Cargando los sectores

Cada disco está cubierto de sectores metálicos en sus caras exteriores. La secuencia de eventos comienza en cualquier sector con una cantidad desigual de carga positiva o negativa. Mientras los sectores estén limpios y secos, suele haber al menos uno cargado. Supongamos, por ejemplo, que uno tiene una carga neta negativa y se encuentra en el disco frontal.

Esa carga negativa neta influye en el sector más cercano del disco trasero, repeliendo la carga negativa hacia el extremo opuesto, dejando el lado cercano con una carga positiva. Esto se denomina inducción electrostática, y por ello la máquina de Wimshurst se denomina máquina de inducción, ya que la carga en un sector influye en la distribución de carga en otro.

A continuación, pasemos al disco trasero y veamos qué sucede con el sector que se ha visto afectado.

Lo siguiente que ocurre es la verdadera genialidad. Cada disco tiene una barra neutralizadora frente a él. Cada extremo de la barra neutralizadora tiene una escobilla que toca los sectores a medida que pasan. Y hay un número par de sectores. Esto significa que cuando una escobilla toca un sector, la barra neutralizadora conecta eléctricamente ese sector con otro sector en el otro extremo de la barra neutralizadora. Los cortocircuita.

Supongamos que una escobilla neutralizadora toca el sector afectado, el que se muestra arriba, cuya carga se ha redistribuido de forma que es positiva en el lado que mira hacia adentro y negativa en el lado que toca la escobilla. Aunque el sector es neutro en general, la barra neutralizadora solo detecta el lado con carga negativa. Ahora detecta un desequilibrio entre los dos sectores que tocan sus dos escobillas. Esto provoca un flujo de corriente para restablecer dicho equilibrio. Parte de la carga negativa fluirá del sector afectado al otro. Desde la perspectiva de la barra neutralizadora, se ha neutralizado la carga en ambos sectores.

Cuando el disco gira los sectores alejándolos de la barra neutralizadora, el primer sector queda con carga positiva tras haberle quitado una carga negativa. Y, tras recibir esa carga negativa, el otro sector queda con carga negativa.

Estos sectores cargados giran más acercándose a la zona en la que el disco delantero tiene las escobillas de la barra neutralizadora, que tocan los sectores enfrentados en ese disco delantero. De esta manera, los sectores recién cargados inducen nueva carga en más sectores, y así sucesivamente.

Un descubrimiento útil es que este evento de inducción y neutralización hace que un sector haga que el sector opuesto en el otro disco se cargue con una carga opuesta. Nuestro sector con carga negativa creó un sector con carga positiva. Ese sector con carga positiva, al girar el disco, creó un sector con carga negativa.

Las cargas se acumulan para entregarlas a los colectores

Los discos delantero y trasero (que giran en sentidos opuestos) generan las cargas que se muestran arriba.

Puede que tarde un poco en convencerse (ya que se ven las vistas frontal y trasera juntas), pero todos los sectores con carga negativa se dirigen al colector izquierdo y todos los sectores con carga positiva al colector derecho. También notará que los sectores que acaban de pasar por los colectores han depositado allí sus cargas. Permanecen neutrales en general hasta que llegan a las escobillas neutralizadoras, donde la inducción y la neutralización que mencionamos anteriormente los recargan.

Los colectores no tocan los sectores. En su lugar, tienen puntas afiladas orientadas hacia ellos y con un espacio de aire entre ellos. Esta es una técnica conocida que ya hemos visto en el funcionamiento de los generadores Van de Graaff . Cada colector tiene puntas afiladas orientadas hacia los sectores de ambos discos, lo que facilita la transferencia.

Usando el colector izquierdo como ejemplo, la carga negativa de los sectores repele los electrones de las puntas, dejando atrás una carga positiva. Al ser puntas afiladas, esa carga positiva se aglomera, lo que genera un intenso campo eléctrico en el espacio cerca de las puntas. Este intenso campo eléctrico desgarra las moléculas de aire e inicia el proceso de convertirlo en conductor, formando una corona azulada cerca de las puntas. Es este aire conductor el que hace que la carga negativa de los sectores cruce el espacio hacia el colector. Esto deja los sectores neutrales de nuevo.

Algo similar ocurre en el colector derecho, solo que con cargas opuestas. Como esos sectores son positivos, recibirán electrones del colector, volviéndolos neutrales.

Pero ¿de dónde proviene y adónde va toda esa carga utilizada para neutralizar los sectores? Ahí es donde interviene el resto del circuito.

Las botellas de Leyden y las esferas de descarga

El resto del circuito consta de un descargador de chispas y dos botellas de Leyden. Estas dos botellas son simplemente dos condensadores cilíndricos conectados en serie. El descargador de chispas también puede considerarse un condensador, aunque con un dieléctrico que se rompe fácilmente y una capacitancia baja en comparación con las botellas de Leyden. El descargador de chispas está en paralelo con las botellas de Leyden, y ambas están en paralelo con los colectores.

Esto significa que los colectores están conectados entre sí a través de los discos, pero también a través de los condensadores de Leyden o de chispa.

La carga que se recoge de los sectores carga las botellas de Leyden y el descargador de chispas. Las botellas de Leyden están diseñadas para soportar un voltaje superior al del descargador de chispas, por lo que es este último el que se rompe primero. Al hacerlo, se produce un cortocircuito. Toda la carga acumulada en las botellas de Leyden se descarga rápidamente a través del descargador en forma de chispa, neutralizando las botellas de Leyden hasta que se reanuda el proceso de carga.

Resumen

En resumen, mediante inducción, las barras neutralizadoras se activan para cargar los sectores. Los colectores recogen dicha carga y la almacenan en las botellas de Leyden y en el descargador de chispas. Cuando la carga genera un potencial suficiente en el bujía, se produce una chispa, que cortocircuita las botellas de Leyden hasta que se pueda recoger suficiente carga para otra chispa.