Máquinas electrostáticas

1. 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.

2. 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.

3. El Electróforo
Esquema del electróforo
El 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.

5. El Electróforo
El electróforo funciona de la siguiente manera:
2.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.
3.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.
4.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

6. 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. El Electróforo
El electróforo funciona de la siguiente manera:
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 Electróforo
El electróforo funciona de la siguiente manera:
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.

9. Construcción de un electróforo
Puede 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.

10. Construcción de un electróforo
En 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.

11. Máquina de Wimshurst

12. 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.
Máquina de Wimshurst

13. 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.
Máquina de Wimshurst

14. 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.
Máquina de Wimshurst

15. 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 mega
voltios. 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

16. Descripción
El 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.
Generador de Van de Graaff

17. Historia
Este 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.
Generador de Van de Graaff

18. Historia
Uno 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.
Generador de Van de Graaff