El generador Wimshurst o máquina de electroformación es un dispositivo electrostático inductivo diseñado como fuente continua de energía eléctrica. Se utiliza en el siglo XXI como técnica auxiliar para demostrar experimentos físicos relacionados con diversos efectos y fenómenos eléctricos.
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Un poco de historia del invento
En 1865, el físico experimental alemán August Thöepler realizó los planos definitivos de una máquina de electroformación. Al mismo tiempo, el científico alemán Wilhelm Holz realizó un segundo descubrimiento independiente de una máquina similar. La principal diferencia del dispositivo era su capacidad para producir una gran potencia y diferencia de potencial. Holtz es considerado el creador de la fuente de corriente eléctrica continua.
El sencillo diseño inicial de la máquina de electroformación fue mejorado en 1883 por el inglés James Wimshurst. Su modificación se utiliza en todos los laboratorios de física para la demostración visual de los experimentos.
La construcción de la máquina de electroformación
2 discos coaxiales giran el uno contra el otro mientras portan simples condensadores sectoriales de aluminio. Debido a procesos aleatorios en el momento primario, se genera una carga en un segmento de uno de los segmentos. Este fenómeno se produce por el proceso de fricción contra el aire. Debido a la simetría del diseño, el signo final no puede predecirse de antemano.
En la construcción se utilizan dos jarras de Leiden. Crean un sistema único a partir de los condensadores conectados en serie. Esto tiene el efecto de reducir los requisitos de tensión de funcionamiento de cada condensador en un factor de dos. Deben seleccionarse los mismos valores nominales como garantía de una distribución uniforme de la tensión de funcionamiento.
Los neutralizadores inductivos están diseñados para aliviar la tensión. Toda la construcción se asemeja a un peine metálico que flota a cierta distancia sobre el disco. Ambos discos con signos de superficie exterior equivalentes llegan al punto de retirada de la carga. Los neutralizadores están emparejados. La carga de los segmentos se reduce en gran medida una vez realizado el punto de descarga. En los diseños adicionales, el cepillo está en fácil contacto con el borde del disco.
El operario fuerza los elementos de repulsión del sistema mediante un accionamiento eléctrico o su propia mano. Las cargas que interactúan entre sí tienden a dispersarse al máximo. El proceso favorece un fuerte aumento de la densidad de carga superficial en todos los puntos de extracción.
La electricidad se recoge en los bancos de Leiden desde las crestas neutralizadoras. Se produce un rápido aumento de la tensión. Un descargador unido a 2 electrodos ayuda a evitar un fallo del sistema. Es posible obtener arcos de diferente intensidad ajustando la distancia entre ellos. Existe una correlación: cuanto más fuerte es la intensidad de campo entre los 2 descargadores, más ruidoso es el efecto que acompaña al vaciado de los tarros de Leyden.
Los segmentos permanecen vacíos después del punto de retirada de la carga. Los ecualizadores o neutralizadores potenciales se instalan a lo largo del movimiento. Cada lado opuesto del disco ya ha cedido la carga en las distintas escobillas. En el momento de pasar el punto de extracción y después de él, los signos residuales de la carga son diferentes.
Un trozo de alambre de cobre grueso con pinceles de alambre fino, suspendido a baja altura o frotando los segmentos, ayuda a cerrar estos signos opuestos. El resultado es que las cargas de ambos segmentos se igualan a cero, toda la energía se convierte según la ley de Joule-Lenz en el calor generado en el hilo de cobre engrosado.
Qué son los tarros de Leiden
El primer condensador eléctrico creado por el científico holandés Pieter van Muschenbroek fue la jarra de Leiden. El condensador inventado tiene forma de cilindro con un cuello ancho o mediano de diámetros variables. La jarra de Leiden es de vidrio. Está forrado por dentro y por fuera con una lámina especial de estaño. El producto está cubierto con una tapa de madera. La función principal de la invención es acumular y almacenar grandes cargas.
La creación de dicho frasco fue estimulada por un amplio estudio de la electricidad, su velocidad general de propagación y las propiedades de conductividad eléctrica de diversos materiales. Fue la primera vez que se pudo producir artificialmente una chispa eléctrica. Hoy en día, los tarros de Leiden sólo se utilizan como parte integrante de las máquinas de electroformación.
Cómo funciona una máquina de electroformación
La energía para el cambio de marcas se toma de la potencia del operador. Ya entre los ecualizadores y los cepillos, los discos se mueven con repulsión mutua hacia los demás. El número de revoluciones por minuto juega su papel. La densidad de carga aumenta. La carga más fuerte de los discos opuestos empuja el residuo a través de las secciones de hilo de cobre. De ahí surge la energía, suficiente para cambiar el signo.
Al aumentar la densidad de la superficie se elimina la carga en la unidad. En un punto, la energía se almacena en la jarra de Leiden y en otro punto se utiliza para cambiar el signo. Los neutralizadores de inducción son prácticamente indistinguibles. Ambos tienen una función común de neutralización de la energía. Circuito general:
- Hay dos tipos de condensadores en el diseño: las jarras de Leyden, donde se almacena la carga, y una combinación de un segmento de ambos discos con un dieléctrico y una cubierta de aluminio.
- La reducción de la carga de los segmentos de aluminio se realiza mediante 2 tipos de neutralizadores. El primero se utiliza para cambiar el signo o la polarización, el segundo para cargar el frasco de Leiden.
Toda la energía no proviene de la fricción del aluminio y el cobre ni de la electrificación del aire. Se crea forzando a los condensadores a llenarse con la fuerza de torsión del disco. Todos los procesos se realizan aumentando drásticamente la densidad de carga superficial en los puntos de extracción.
Aplicaciones de la máquina de electroformación
Desde los años 70, la máquina de Wimshurst no se utiliza para la extracción directa de energía eléctrica. Hoy en día sirve como exposición histórica, ilustrando la historia y el desarrollo del progreso científico y tecnológico y el pensamiento de la ingeniería. Una demostración de laboratorio de lo que es una máquina de electroformación muestra los diversos fenómenos y efectos de la electricidad.
Es aceptable el uso de neutralizadores de inducción, que eliminan las cargas de los dieléctricos líquidos, como el aceite. Es peligroso que se produzca una chispa en el aire en cualquier instalación de producción, puede provocar efectos perjudiciales, humo e incluso una explosión.
La historia de los descubrimientos e investigaciones en el campo de la electricidad está estrechamente ligada a la aplicación de diversos diseños y dispositivos para producir cargas eléctricas. La máquina de electroformación, cuya acción se basa en la excitación de la electricidad por inducción, ha desempeñado su papel en la investigación científica.
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