Laboratorio de Investigación de Física Electrónica

Laboratorio de Investigación de Física Electrónica

La villa Folke Bernadotte se encuentra en el distrito berlinés de Lichterfelde, en el distrito de Steglitz-Zehlendorf, en el número 20 de la calle Jungfernstieg, y fue construida en 1885. Actualmente alberga un centro infantil, juvenil y cultural. 

El edificio sobrevivió a la Segunda Guerra Mundial y a la ocupación soviética de Berlín. Entre 1928 y 1945 albergó el "Forschungslaboratorium für Elektronenphysik" de Manfred von Ardenne.

Experimentos con alto voltaje y simulación de rayos.

Cisne eléctrico

En el Pike's illustrated descriptive catalogue of En el Pike's illustrated descriptive catalogue of optical, mathematical and philosophical instruments de 1848 se describe este equipo de laboratorio, en su página 283.optical, mathematical and philosophical instruments de 1848 se describe este equipo de laboratorio, en su página 284.

Cisne Eléctrico. — (Fig. 320, arriba). — Este es un pequeño cisne metálico, ligero y capaz de flotar en el agua. Se deja flotar el cisne en un recipiente con agua, apoyado sobre un soporte de vidrio; se deja caer una cadena del conductor principal para que se sumerja en el agua; se gira la máquina y se acerca un trozo de pan al cisne; este se girará inmediatamente hacia él y se acercará como si fuera a comérselo. 

El experimento de Hertz y la máquina de Wimshurst

Interesado en los estudios de Maxwell y conociendo el premio que ofrecía la Academia de Ciencias de Berlín a la persona que consiguiese realizar una confirmación experimental de la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, Heinrich Hertz se puso a trabajar en este reto. 

Construcción de una máquina de Wimshurst

En el canal de Electronic Delirium del ingeniero Anthony Frecinaux se encuentra información sobre diversos modelos de máquinas eléctricas de alto voltaje. Una de ellas es una máquina de Wimshurst con las piezas impresas en 3D. 

Esta máquina utiliza discos de acrílico de 3 milímetros de grosor y 30 centímetros de diámetro.

Figuras de Lichtenberg

ELECTRICAL EXPERIMENTS - A Manual of Instructive Amusement, G. E. BONNEY, London, 1897, página 82

13. Figuras de polvo eléctrico de Lichtenberg. 

Los efectos mecánicos de los impulsos eléctricos pueden ilustrarse mediante polvo de bermellón y azufre dispuestos sobre una pastilla de resina o cera, o sobre una placa de ebonita o vidrio. 

La pastilla de resina se coloca en una mesa que esté conectada al descargador de una bobina y sobre la pastilla se coloca una punta de hierro conectada al otro descargador. 

Una vez electrificada la pastilla se espolvorea sobre ella mediante una bolsa de tela que contiene el polvo de bermellón y de azufre. El polvo se electrifica por fricción al ser sacudido dentro de la bolsa, el azufre positivamente y el bermellón negativamente. 

Al caer sobre la pastilla el polvo de bermellón y azufre se separa de forma diversa al caer sobre una superficie negativa o positiva, disponiéndose en forma de hermosas figuras y con un matiz distinto al de los colores de los polvos mezclados. Las manchas positivas de la pastilla aparecerán amarillas y las negativas rojas, mientras que en algunas partes se puede observar una mancha mixta de rojo y amarillo, con un disco central rojo rodeado de rayos amarillos.

Este experimento puede realizarse con una máquina eléctrica, con la descarga de una botella de Leyden o con una bobina de inducción.

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.

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.

La máquina de Wimshurst como circuito eléctrico

La máquina de Wimshurst como circuito eléctrico

Horacio Munguía Aguilar

Departamento de Física, Universidad de Sonora,

INTRODUCCIÓN

La máquina de Wimshurst es uno de esos dispositivos con amplia presencia en todos los laboratorios de electricidad básica. Para la generación de carga electrostática, se prefiere por su simplicidad, fiabilidad y elegancia. A diferencia del generador de Van de Graaff, sus problemas de mantenimiento son menores.

Irónicamente, sin embargo, el principal problema en el contexto docente es que su principio de funcionamiento es más difícil de explicar que el del generador de Van de Graaff.

El funcionamiento de una máquina de Wimshurst, en cualquiera de sus versiones, se basa en dos conceptos: transferencia de carga por inducción electrostática y almacenamiento de carga en un condensador. Una tercera idea permite el funcionamiento de una máquina de Wimshurst: la regeneración electrostática o, en términos modernos, retroalimentación eléctrica positiva.

No proporcionaremos una descripción exhaustiva del funcionamiento de la máquina de Wimshurst, ya que existen numerosas referencias relevantes al respecto [1, 2]. Simplemente resumiremos las características esenciales de su funcionamiento y las trasladaremos a un circuito eléctrico equivalente que consideramos que mejorará su comprensión.

FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA DE WIMSHURST

Aunque existen varias versiones de la máquina de Wimshurst, nos centraremos en una de las más conocidas, que se muestra en la figura 1.

FIGURA 1. La clásica máquina de Wimshurst.

Llamas y campos eléctricos

Desviación de la llama

Considerando la parte positiva y visible de la llama como un sistema, existe una corriente de partículas de bajo momento, resultantes del proceso de combustión, que inician su recorrido en la parte inferior de la llama, y ​​una corriente de salida de partículas enfriadas de alto momento que salen de la parte superior de la misma.

En este sistema, sobre cada partícula actúan tres fuerzas externas: 

1) fuerza de flotación f_b 

2) fuerza eléctrica F_E 

3) fuerza de resistencia del aire T, (en caso de turbulencia). 

Sin embargo, dado que el sistema no está aislado, se le aplicaría otra fuerza debido a la diferencia de momento entre las partículas de entrada y salida. Esta fuerza actúa en la dirección de la llama, hacia la parte inferior (Figura 1).

Generador de Van de Graaff

Un generador de Van de Graaff es un generador electrostático que utiliza una correa para acumular carga eléctrica en un globo metálico hueco situado en la parte superior de una columna aislada, creando potenciales eléctricos muy altos. 

Utilización didáctica de la máquina de Wimshurst

Práctica pedagógica de la máquina de Wimshurst

En 2021 la mayoría de los estudiantes de la Universidad de Tejas en Austin conocían la Máquina de Wimshurst, un aparato capaz de producir y almacenar electricidad estática bipolar con una diferencia de potencial  de 50 a 70 kV. Sin embargo, el mecanismo por el cual genera sus cargas no parecía estar tan claro para la mayoría de los estudiantes. Muchos de ellos atribuían la generación de carga eléctrica a la fricción, aunque la realidad es que es gracias a la inducción que la Máquina de Wimshurst puede producir una cantidad asombrosa de carga en un corto periodo de tiempo.

Figura 1. 

En 2021, entre los estudiantes de primer y segundo curso asistentes a las clases de la asignatura específica Common Physical Phenomena, se realizó una encuesta sobre cual pensaban ellos que era el principio de funcionamiento de la Máquina de Wimshurst. De entre todo el campus 42 estudiantes de diferentes especialidades asistieron a estas clases. Antes de las clases, la mayoría de los estudiantes sabían usar la Máquina de Wimshurst, pero pocos tenían un conocimiento profundo de su mecanismo. Sin embargo, después de las clases, tal como muestran los gráficos anteriores, la mayoría de los estudiantes pudieron comprenderlo correctamente.

Funcionamiento de la máquina de Wimshurst

La máquina de Wimshurst es una "máquina de influencia", un generador electrostático que utiliza las cargas ya presentes para generar más cargas por inducción electrostática. No depende de la fricción para su funcionamiento. 

Máquinas eléctricas

Máquinas eléctricas

738. Máquinas eléctricas.—

Son aparatos destinados á producir electricidad estática. Se dividen en dos grupos: 1.º Máquinas de frotamiento; y 2.º Máquinas de inducción ó reproductores eléctricos. Rigurosamente hablando, en las máquinas llamadas de frotamiento se utiliza también la inducción producida en los conductores, y en las de inducción la carga se inicia por el frotamiento; sin embargo, en las de cada clase la acción preponderante corresponde al nombre con que se las designa.

739. Máquina eléctrica.—

Otón de Guericke, inventor de la máquina neumática, tuvo la feliz idea de producir por el frotamiento cantidades considerables de electricidad, valiéndose de una gran esfera de azufre que daba vueltas por medio de un manubrio, teniendo aplicada sobre ella la mano del experimentador. Esta máquina eléctrica rudimentaria, por sucesivas modificaciones, se ha transformado en la máquina de disco, usada todavía en los gabinetes de Física.

740. Máquina eléctrica de Ramsden.—

Consta esta máquina (fig. 377) de un disco de vidrio que gira y se electriza al frotar entre almohadillas de badana, desarrollando por inducción la electricidad en dos cilindros de latón aislados por pies de vidrio S. A fin de descargar los conductores cilíndricos de la electricidad negativa, se disponen, comunicando con ellos, unos arcos metálicos, el peine P, que abrazando el diámetro horizontal del disco, dirigen hacia el mismo una fila de puntas. Todo el aparato descansa sobre una banqueta de madera, y por lo tanto, el montante donde se fijan las almohadillas y se apoya el eje metálico, que atraviesa el disco por su centro, terminando en un manubrio.

Fig. 377.— Máquina eléctrica de Ramsden.

Inducción eléctrica

Ley de Coulomb

La magnitud de las fuerzas eléctricas con las que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

Campo magnético creado por una carga puntual

Una partícula cargada en movimiento genera un campo eléctrico y a su vez un campo magnético. Esto se debe a que una partícula cargada siempre crea un campo eléctrico, pero si además se mueve, también crea un campo magnético. El plano de las líneas de fuerza de ese campo magnético (flechas circulares azules) es perpendicular a la dirección del movimiento de la carga (flecha verde) y al plano de las líneas de fuerza del campo eléctrico (flechas naranjas). En el esquema siguiente se muestra el caso en que la carga positiva se desplaza hacia la derecha con una velocidad V, si el movimiento fuese hacia la izquierda, o si la carga fuese negativa, el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético cambiaria y las flechas rotarían hacia el otro lado. En el siguiente dibujo, visto desde la izquierda, las líneas de fuerza del campo magnético giran en el sentido de las agujas del reloj. La regla de la mano derecha permite recordar fácilmente estos pormenores.

Tormentas y radiación gamma

En el estudio Highly dynamic gamma-ray emissions are common in tropical thundercloud, publicado el 2 de octubre en la revista Nature, los científicos Martino Marisaldi y Nikolai Østgaard se describe la formación de los destellos de rayos gamma parpadeantes (FGF, por sus siglas en inglés) en el interior de las nubes de tormenta tropicales, tal como se indica en el Abstract del artículo:

Alba Moreno

Alba Moreno tiene 22 años, es de Alcalá de Guadaíra y se ha convertido en un fenómeno de las redes sociales hablando sobre ciencia. Estudia el tercer curso de la carrera de Física por la UNED.

El vórtice polar

Los días se hacen más cortos, la radiación solar se reduce, bajan las temperaturas, el mar empieza a congelarse y los vientos del norte empiezan a coger fuerza. Hay algo en el Polo que empieza a cambiar. Al principio es sutil, solo se puede apreciar en los detalles, pero poco a poco se convierte en el gran fenómeno meteorológico del invierno.

Rayos de corriente continua

Los rayos son la única causa natural de incendios en la mayoría de las zonas del planeta. Pero hay rayos y rayos. Y no todos tienen la misma capacidad de provocar fuegos. Un estudio ha analizado cómo aumentarán los rayos más dañinos debido al cambio climático. Los resultados, publicados por la revista Nature Communications, dicen que mientras en algunas regiones, como Europa y Norteamérica, aumentará su frecuencia, en otras, como el norte de Rusia y la península escandinava, no será así. Que su porcentaje disminuya en esas zonas, donde se encuentra el permafrost, puede suponer un enorme alivio con respecto al crecimiento de las emisiones de carbono.

¿Por qué vuelan los aviones?

Los aviones vuelan gracias a la actuación de una serie de fuerzas, tanto en el plano horizontal como en el plano vertical. Para que el aparato se eleve es imprescindible que la fuerza que se produce en el eje vertical (sustentación en lenguaje aeronáutico) supere al peso del avión. Por otra parte, en el eje horizontal y gracias a los motores que expulsan gases, tiene lugar el principio de acción-reacción que provoca una fuerza hacia adelante que vence la resistencia del aire. Cuando el avión asciende y llega a su altura de crucero y a una velocidad constante es porque se ha alcanzado el equilibrio de fuerzas tanto en el eje vertical, en el que la sustentación se iguala al peso, como en el eje horizontal, en el que el empuje del motor es igual a la resistencia que nos ofrece el aire.

Propiedades sorprendentes del grafeno

A las asombrosas propiedades que ya se conocen del grafeno, un material de tan solo un átomo de espesor, muy ligero, resistente y flexible, a la vez que más duro que el acero y conductivo que el cobre, ahora se suman las que investigadores del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Barcelona, liderados por Dmitri Efetov, acaban de descubrir; se trata de un conjunto de cualidades extraordinarias que, además de abrir la puerta a nuevas aplicaciones, como mejorar la eficiencia de la transmisión de energía, se enmarcan en un nuevo tipo de física, llamada de la materia condensada, muy rica y compleja, que aún no se comprende.