Máquina Wimshurst

Un dibujo de ingeniería de una máquina Wimshurst, desde la guía eléctrica Hawkins

Quadruple sector-less Wimshurst máquina

La máquina de Wimshurst o máquina de influencia de Wimshurst es un generador electrostático, una máquina para generar altos voltajes desarrollada entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832-1903).

Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos que giran en sentido contrario montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos y un espacio de chispa formado por dos esferas metálicas.

Descripción

Estas máquinas pertenecen a una clase de generadores electrostáticos llamados máquinas de influencia, que separan las cargas eléctricas a través de la inducción electrostática, o influencia, no dependiendo de la fricción para su funcionamiento. Las máquinas anteriores de esta clase fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), August Toepler (1865), J. Robert Voss (1880) y otros. Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia impredecible a cambiar su polaridad, mientras que la máquina de Wimshurst no tiene ningún defecto.

En una máquina Wimshurst, los dos discos aislados y sus sectores metálicos giran en direcciones opuestas pasando por las barras neutralizadoras metálicas cruzadas y sus cepillos. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y recogido por dos pares de peines de metal con puntas colocadas cerca de las superficies de cada disco. Estos colectores están montados sobre soportes aislantes y conectados a los terminales de salida. La retroalimentación positiva aumenta exponencialmente las cargas acumuladas hasta que se alcanza el voltaje de ruptura dieléctrica del aire y salta una chispa eléctrica a través del espacio.

Teóricamente, la máquina no arranca automáticamente, lo que significa que si ninguno de los sectores de los discos tiene carga eléctrica, no hay nada que induzca cargas en otros sectores. En la práctica, incluso una pequeña carga residual en cualquier sector es suficiente para iniciar el proceso una vez que los discos comienzan a girar. La máquina funcionará satisfactoriamente solo en un ambiente seco. Se requiere energía mecánica para hacer girar los discos contra el campo eléctrico, y es esta energía la que la máquina convierte en la energía eléctrica de la chispa. La salida de estado estable de la máquina de Wimshurst es una corriente continua (no alterna) que es proporcional al área cubierta por el sector metálico, la velocidad de rotación y una función complicada de la distribución de carga inicial. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la tensión de salida máxima que se puede alcanzar. La energía de chispa acumulada se puede aumentar agregando un par de botellas de Leyden, un tipo temprano de capacitor adecuado para altos voltajes, con las placas internas de las botellas conectadas de forma independiente a cada uno de los terminales de salida y las placas externas de las botellas interconectadas. Una máquina típica de Wimshurst puede producir chispas que tienen una longitud de aproximadamente un tercio del diámetro del disco y varias decenas de microamperios.

La ganancia de voltaje disponible se puede entender observando que la densidad de carga en los sectores con carga opuesta, entre las barras neutralizadoras, es casi uniforme en todos los sectores y, por lo tanto, a bajo voltaje, mientras que la densidad de carga en los mismos sectores cargados, acercándose a la peines colectores, picos cerca de los bordes del sector, a una tensión consecuentemente alta en relación con los peines colectores opuestos.

Las máquinas de Wimshurst se utilizaron durante el siglo XIX en la investigación física. También se usaron ocasionalmente para generar alto voltaje para alimentar los tubos de rayos X Crookes de primera generación durante las dos primeras décadas del siglo XX, aunque las máquinas Holtz y las bobinas de inducción se usaron con más frecuencia. Hoy en día se usan solo en museos de ciencia y educación para demostrar los principios de la electrostática.

Operación

Los dos discos aislantes que giran en sentido contrario (generalmente de vidrio) tienen varios sectores metálicos adheridos. La máquina está provista de cuatro cepillos pequeños (dos a cada lado de la máquina sobre ejes conductores a 90° entre sí), además de un par de peines de recolección de carga. Los ejes conductores, que sujetan las escobillas en una máquina típica de Wimshurst, tendrían la forma de una 'X', si se pudiera ver a través de los discos aislantes, ya que son perpendiculares entre sí. Los peines de recolección de carga generalmente se montan a lo largo de la horizontal y hacen contacto por igual con los bordes exteriores de los discos delantero y trasero. Los peines de recolección en cada lado generalmente están conectados a los respectivos frascos de Leyden.

Animación

Cualquier pequeña carga en cualquiera de los dos discos es suficiente para comenzar el proceso de carga. Supongamos, por lo tanto, que el disco trasero tiene una pequeña carga electrostática neta. Para concretar, suponga que esta carga es positiva (roja) y que el disco posterior ([A] cadena inferior) gira en sentido contrario a las agujas del reloj (de derecha a izquierda). A medida que el sector cargado (cuadrado rojo en movimiento) gira a la posición del cepillo ([Y] punta de flecha hacia abajo) junto al disco frontal ([B] cadena superior cerca del centro), induce una polarización de carga en el eje conductor ([ Y-Y1] línea negra horizontal superior) sosteniendo el cepillo, atrayendo carga negativa (verde) hacia el lado cercano ([Y] el cuadrado superior se vuelve verde), de modo que la carga positiva (roja) se acumula en el lado lejano (a través del disco, 180 grados de distancia) ([Y1] el cuadrado superior se vuelve rojo). Las cargas polarizadas del eje se unen a los sectores más cercanos en el disco B, lo que da como resultado una carga negativa en B [Y] más cercana a la carga positiva original en A y una carga positiva en el lado opuesto de B [Y1]. Después de una rotación adicional de 45° ([Z] cerca del medio de la cadena inferior), la carga positiva (roja) en A (cadena inferior) es repelida por una carga positiva (roja) en B ([Z] cadena superior) que se aproxima. El primer peine de recolección ([Z] líneas con punta de flecha a triángulos) que se encuentra permite que las cargas positivas (rojas) dejen los sectores neutrales (los cuadrados se vuelven negros) y se acumulan en el ánodo de la botella de Leyden (triángulo rojo) atraídos por la botella de Leyden cátodo (triángulo verde). La carga completa el ciclo a través de los discos cuando una chispa (zigzag amarillo) descarga la botella de Leyden (triángulos rojo y verde).

A medida que B gira 90° en el sentido de las agujas del reloj (de izquierda a derecha), las cargas que se han inducido en él se alinean con las escobillas junto al disco A [X, X1]. Las cargas en B inducen la polarización opuesta de los cepillos A' eje, y la polarización del eje se transfiere a su disco. El disco B continúa girando y sus cargas son acumuladas por los peines de recolección de carga más cercanos.

El disco A gira 90° para que sus cargas se alineen con el cepillo del disco B [Y, Y1], donde se induce una polarización de carga opuesta en el eje conductor B y los sectores más cercanos de B, similar a la descripción dos párrafos más arriba.

El proceso se repite, con cada polarización de carga en A induciendo polarización en B, induciendo polarización en A, etc. La "influencia" de sectores atractivos vecinos induce cargas exponencialmente mayores, hasta que se equilibra con la capacitancia finita del eje conductor. Todas estas cargas positivas y negativas inducidas son recolectadas por peines para cargar las botellas de Leyden, dispositivos de almacenamiento de carga eléctrica similares a los capacitores. La energía mecánica requerida para separar las cargas opuestas en los sectores adyacentes proporciona la fuente de energía para la salida eléctrica.