- Parts de la màquina de Wimshurst
- L'efecte triboeléctrico
- Cicle de càrrega i emmagatzematge
- Aplicacions i experiments
- experiment 1
- experiment 2
- referències
La màquina de Wimshurst és un generador electrostàtic d'alt voltatge i baix amperatge, capaç de produir electricitat estàtica per separació de càrregues, gràcies a el gir d'una maneta. En canvi els generadors usats actualment com les piles, alternadors i dinamos són més aviat fonts de força electromotriu, que causen moviments de càrregues en un circuit tancat.
La màquina de Wimshurst va ser desenvolupada per l'enginyer i inventor britànic James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 i 1883, millorant versions de generadors electrostàtics proposades per altres inventors.
Màquina de Wimshurst. Font: Andy Dingley (scanner)
Destaca sobre les màquines electrostàtiques prèvies per la seva operació fiable, reproduïble i la seva construcció simple, podent generar una sorprenent diferència de potencial d'entre 90.000 i 100.000 volts.
Parts de la màquina de Wimshurst
La base de la màquina són els dos característics discos de material aïllant, amb primes làmines metàl·liques adherides i disposades en forma de sectors radials.
Cada sector metàl·lic té un altre diametralment oposat i simètric. Els discos solen tenir entre 30 i 40 cm de diàmetre, però també poden ser molt més grans.
Tots dos discos estan muntats en un pla vertical i se separen una distància d'entre 1 a 5 mm. És important que durant el gir dels discos mai es toquin. Els discos es fan girar en sentits contraris mitjançant un mecanisme de politges.
La màquina de Wimshurst té dues barres metàl·liques paral·leles a mapa de la rotació de cada disc: un cap al costat exterior del primer disc i l'altra cap al costat exterior de l'segon disc. Aquestes barres es creuen en angle una respecte a l'altra.
Els extrems de cada barra tenen escombretes metàl·liques que fan contacte amb els sectors metàl·lics oposats en cada disc. Les hi coneix com barres neutralitzadores, per una bona raó que es veurà en breu.
Les escombretes mantenen en contacte elèctric (metàl·lic) al sector de el disc que toca en un extrem de la barra, amb el sector diametralment oposat. A l'altre disc passa el mateix.
L'efecte triboeléctrico
Les escombretes i els sectors del disc estan fets de metalls diferents, gairebé sempre coure o bronze, mentre que les làmines dels discos són d'alumini.
El fugaç contacte entre ells mentre els discos roten i la posterior separació, crea la possibilitat d'intercanviar càrregues a través de l'adhesió. Aquest és l'efecte triboeléctrico, que també pot donar-se entre un tros d'ambre i un drap de llana, per exemple.
A la màquina s'agreguen un parell de col·lectors (pintes) metàl·lics amb forma d'U i terminacions en puntes o pues metàl·liques, situats en posicions oposades.
Els sectors de tots dos discos passen per la part interna de l'O de l'col·lector sense tocar-lo. Els col·lectors estan muntats sobre una base aïllant i al seu torn estan connectats a altres dues barres metàl·liques acabades en esferes, properes però que tampoc es toquen.
Quan se li proporciona energia mecànica a la màquina per mitjà de la maneta, el frec de les escombretes produeix l'efecte triboeléctrico que separa les càrregues, i després els electrons ja separats són captats pels col·lectors i s'emmagatzemen en dos dispositius anomenats ampolles de Leyden.
L'ampolla o gerro de Leyden és un condensador amb armadures metàl·liques de forma cilíndrica. Cada ampolla està connectada a l'altra per la placa central, conformant dos condensadors en sèrie.
A l'girar la maneta es produeix una diferència de potencial elèctric tan elevada entre les esferes, que l'aire entre elles s'ionitza i salta una espurna. El dispositiu complet s'aprecia en la imatge de dalt.
A la màquina de Wimshurst l'electricitat surt de la matèria, que està composta d'àtoms. I aquests al seu torn estan constituïts per càrregues elèctriques: electrons negatius i protons positius.
En l'àtom els protons amb càrrega positiva estan compactats al centre o nucli i els electrons de càrrega negativa al voltant del seu nucli.
Quan un material perd alguns dels seus electrons més externs queda carregat positivament. A canvi, si captura alguns electrons, obté càrrega neta negativa. Quan la quantitat de protons i electrons és igual, el material és neutre.
En els materials aïllants, els electrons romanen al voltant dels seus nuclis sense la possibilitat d'allunyar massa. Però en els metalls els nuclis estan tan propers els uns als altres, que els electrons més externs (o de valència), poden saltar d'un àtom a un altre, movent-se per tot el material conductor.
Si a una de les cares d'una placa metàl·lica se li apropa un objecte carregat negativament, llavors els electrons de l'metall s'allunyen per repulsió electrostàtica, en aquest cas a la cara oposada. Es diu llavors que la placa s'ha polaritzat.
Ara bé, si aquesta placa polaritzada es connecta mitjançant un conductor (barres neutralitzadores) per la seva cara negativa a una altra placa, els electrons es mourien a aquesta segona placa. Si sobtadament es talla la connexió la segona placa queda carregada negativament.
Cicle de càrrega i emmagatzematge
Perquè la màquina de Wimshurst arrencada, es necessita que algun dels sectors metàl·lics de el disc tingui un desequilibri de càrrega. Això passa de forma natural i freqüent, sobretot quan hi ha poca humitat ambiental.
Quan els discs comencen a girar, hi haurà un moment en què un sector neutre de el disc oposat s'oposa a el sector carregat. Aquest indueix sobre aquell una càrrega d'igual magnitud i sentit contrari gràcies a les escombretes, ja que els electrons es mobilitzen allunyant-se o apropant-se, segons el signe de el sector enfrontat.
Esquema de la màquina de Wimshurst. Font: RobertKuhlmann
Els col·lectors en forma d'U s'encarreguen de recollir la càrrega quan els discos es repel·leixen per estar carregats amb càrregues de el mateix signe, com ho mostra la figura, i emmagatzemen aquesta càrrega en les ampolles de Leyden connectades a ells.
Per aconseguir-ho, a la part interna de l'O sobresurten pics a manera de pintes dirigits cap a les cares externes de cada disc, però sense tocar-los. La idea és que en les puntes es concentri càrrega positiva, perquè els electrons expulsats dels sectors siguin atrets i es vagin acumulant a la placa central de les ampolles.
D'aquesta manera el sector enfrontat a l'col·lector perd tots els seus electrons i queda neutre, mentre la placa central de l'Leyden es carrega negativament.
En el col·lector contrari passa el contrari, el col·lector lliurament electrons a la placa positiva que l'enfronta fins a quedar neutralitzat i el procés es va repetint contínuament.
Aplicacions i experiments
L'aplicació principal de la màquina de Wimshurst és obtenir electricitat de cada signe. Però té l'inconvenient que subministra un voltatge força irregular, ja que depèn de l'accionar mecànic.
L'angle de les barra neutralitzadores pot variar per configurar a alta corrent de sortida oa alt voltatge de sortida. Si els neutralitzadors estan lluny dels col·lectors, la màquina lliura un alt voltatge (fins a més de 100 kV).
En canvi si estan a prop dels col·lectors, el voltatge de sortida disminueix i el corrent de sortida augmenta, podent arribar fins a de 10 microamperes a velocitats de rotació normals.
Quan la càrrega acumulada arriba a un valor prou alt es produeix llavors un elevat camp elèctric en les esferes connectades a les plaques centrals dels Leyden.
Aquest camp ionitza l'aire i produeix la guspira, descarregant les ampolles i donant lloc a un nou cicle de càrrega.
experiment 1
Els efectes de camp electrostàtic poden apreciar-se col·locant un full de cartolina entre les esferes i observar que les espurnes fan forats en ella.
experiment 2
Per a aquest experiment es necessita: un pèndol fet amb una boleta de taula recoberta de paper d'alumini i dues làmines metàl·liques en forma de L.
Es penja la boleta al mig de les dues làmines mitjançant un fil aïllant. Cada làmina es connecta als elèctrodes de la màquina de Wimshurst mitjançant cables amb pinces.
A l'girar la maneta, la boleta inicialment neutra oscil·larà entre les làmines. Una d'elles tindrà excés de càrrega negativa que cedirà a la boleta, la qual serà atreta per la làmina positiva.
La boleta dipositarà en aquesta làmina seu excés d'electrons, es neutralitzarà breument i el cicle es repetirà de nou mentre la maneta se segueixi girant.
referències
- De Queiroz, A. Electrostatic Machines. Recuperat de: coe.ufrj.br
- Gacanovic, Mico. 2010. Electrostatic Application Principles. Recuperat de: orbus.be