máquinas electrostáticas

Máquinas Electrostáticas

Los generadores de electricidad estática son máquinas que producen altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente. Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física. Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff.En la física experimental, el electróforo es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.

El Electróforo Es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.El primer electróforo fue inventado en 1762 por el profesor Johannes Carl Wilcke. Luego el científico italiano Alessandro Volta perfeccionó y popularizó este dispositivo en 1775, lo que ha llevado a acreditarle erróneamente su invención. Volta acuñó el término electróforo a partir del griego ήλεκτρον ('élektron'), y φέρω ('phero'), es decir, portador de electricidad.

El Electróforo

Esquema del electróforoEl objetivo del electróforo es cargar positivamente un disco de material conductor.Está formado por:•Un disco de material conductor, generalmente metálico, con un mango aislante para sostenerlo (en el dibujo superior se ve el mango, en los esquemas debajo no está representado).•Una lámina de material aislante. En la versión original era una torta de resina.•Piel de gato (en la versión original), piel de conejo, o un simple tejido de lana bien seco, más fácil de conseguir.

El Electróforo El electróforo funciona de la siguiente manera:1.En primer lugar, frotamos la superficie superior de la torta de resina o de la lámina aislante con la piel de gato o conejo (del lado de los pelos), o con un tejido de lana, a fin de que la superficie quede cargada negativamente por fricción. Una vez que el aislante está cargado, acercamos el disco metálico sosteniéndolo por el mango aislante (figura 1), con lo que tanto el disco conductor, como la torta de resina o la lámina aislante, se polarizan, situándose las cargas negativas del conductor en la superficie superior como consecuencia de la repulsión ejercida por las cargas negativas que el material aislante tiene en su superficie.

2.Apoyamos el disco conductor encima del aislante, en contacto. Como el aislante tiene exceso de carga negativa su potencial es negativo; como están próximos, el potencial del disco metálico neutro también es negativo.

3.Conectamos el disco conductor a tierra (si no tenemos algo que sirva de toma de tierra, basta con que lo toquemos con un dedo); como la tierra está a potencial de 0 V y el disco metálico tiene un potencial negativo, el disco tiende a perder carga

El Electróforo El electróforo funciona de la siguiente manera:

negativa. Se origina una corriente de carga negativa (circulación de electrones) desde el disco hasta la tierra, que cesa cuando el potencial del disco es 0 V. Esto sucede cuando el disco queda cargado positivamente de forma que su potencial positivo se anula con el negativo generado por el aislante, con lo que el potencial total es de 0 V. Dicho de otra manera, así referimos a tierra el potencial de la cara superior del material aislante.

4.- Desconectamos el disco metálico de la toma de tierra, el potencial eléctrico sigue siendo de 0 V.

5.- Separamos el disco metálico del aislante, agarrándolo por el mango, ya que si tocásemos el disco con la mano, en el momento en que alejásemos el disco de la lámina aislante, el potencial del disco pasaría de 0 V a un potencial positivo, con lo que electrones de nuestro cuerpo pasarían al disco, descargándolo. Esta acción de alejar el disco del material aislante cargado es la que inducirá en el disco metálico una carga de algunos miles de voltios.

6.- Ahora el disco metálico ha quedado cargado positivamente; si tiene una carga suficiente y acercamos un dedo al disco sin tocarlo, veremos que salta una chispa entre nuestro dedo y el disco, que quedará así descargado.


7.- La carga del disco metálico puede emplearse para distintos experimentos. Por ejemplo, si se pone el disco en contacto con un conductor aislado, se comprobará que la carga puede ser transportada a distancia. Como la carga estática que la base dieléctrica adquirió por frotamiento no se gasta durante el proceso de cargar el disco conductor, éste puede volver a cargarse muchas veces sin necesidad de frotarla nuevamente. Esto es así, porque la energía empleada para cargar el disco no es suministrada por la carga de la base dieléctrica, sino por el trabajo mecánico de separar el disco de la base. Es por esta razón que Volta lo llamó electróforo perpetuo. En realidad, se lo use o no, la carga de la base dieléctrica va perdiéndose lentamente a lo largo de las horas o días, sobre todo si hay alta humedad relativa ambiente, debido a la recombinación con las partículas de la atmósfera que posean carga de signo opuesto.


8.- El científico alemán Georg Christoph Lichtenberg construyó en 1777 uno de los mayores electróforos que se han hecho. Tenía poco menos de dos metros de diámetro, y el disco metálico debía subirse y bajarse con un sistema de poleas. Se reportaron chispas de hasta 38 cm (casi 400 000 voltios). Lichtenberg empleó estas descargas para crear extraños dibujos ramificados, arborescentes, conocidos como Figuras de Lichtenberg.

9.- Algunos otros pocos materiales aislantes, como ciertos vidrios especiales, pueden producir tensiones de polaridad invertida.

Construcción de un electróforoPuede construirse un electróforo con materiales fáciles de conseguir. Para el disco metálico puede emplearse una tapa a presión de un recipiente metálico de leche en polvo o similar (plano, sin molduras), con su reborde hacia arriba. Como mango aislante puede utilizarse una varilla o tubo de material plástico, por ejemplo el tubo exterior de un bolígrafo, que puede adherirse al centro del disco con supercemento (cianoacrilato), con resina epoxi, o con otro adhesivo fuerte, como una masilla polimerizable de dos componentes.

El material aislante original era una torta de resina (material en venta en ferreterías y químicas), pero también puede hacerse con un gran trozo de azufre (se consigue en las fábricas de escobas de paja y en químicas), elegido con superficie plana y tamaño mayor que el disco metálico. Las tensiones generadas así rondarán los ocho o diez mil voltios, que no son peligrosas debido a la escasa corriente que el electróforo es capaz de generar. El largo de la chispa permite calcular aproximadamente la tensión eléctrica alcanzada a razón de mil voltios por cada milímetro de chispa.

Construcción de un electróforoEn lugar de la torta de resina o azufre puede usarse una lámina de material plástico, por ejemplo acríl, mylar, poliestireno, etc., pero las tensiones generadas así pueden ser menores. En vez de una piel de gato o de conejo, difíciles de conseguir, puede emplearse con igual resultado un tejido de lana bien seco.

Es conveniente hacer el experimento sólo en días en que la humedad relativa ambiente sea menor que el 50 ó 60 %. Para realizar el experimento, es importante seguir con cuidado los cinco pasos indicados en la sección anterior; en caso contrario el electróforo no funcionará.

Máquina de Wimshurst

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.


Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática.En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa.


La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determina la salida de voltaje maxima que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperes.


El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

Generador de Van de Graaff

DescripciónEl generador consiste en una cinta, transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por inducción en la cinta, ya que la varilla metálica o peine, está muy próxima a la cinta pero no en contacto. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo por medio de otro peine o varilla metálica que se encarga de producir energía.


HistoriaEste tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931 Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de 1 megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. Sin embargo, en la mayor parte de los experimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y ciclotrones. Muchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos.

El generador del Van der Graaff es un generador de corriente constante, mientras que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.


HistoriaUno de los generadores más grandes de Van de Graaff del mundo, construido por el mismo Robert J. Van de Graaff, está ahora en exhibición permanente en el museo de Boston de la ciencia. Con dos esferas de aluminio conjuntas de 4,5 metros que están estáticas en unas columnas altas, este generador puede alcanzar a menudo 2 millones de Voltios. Las demostraciones usando el generador Van Der Graaff y varias bobinas de Tesla se realizan varias veces cada día.


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