El motor débil de Ben Franklin y otro movimiento olvidado
La mayoría de los motores eléctricos que vemos hoy son de la variedad electromagnética, y por una buena razón: son potentes. Pero hay una especie de motor que se inventó antes que el electromagnético, y del que existen muchas variaciones. Estos son motores que funcionan con alto voltaje y la atracción y repulsión de la carga, comúnmente llamados motores electrostáticos.
Ben Franklin, cuyos experimentos eléctricos se relacionan con mayor frecuencia con volar una cometa en una tormenta eléctrica, construyó y probó uno de esos motores de alto voltaje. No era muy poderoso, pero fue suficiente para que se imaginara usándolo como un truco para tostar. La comida es un estimulante poderoso.
Sigue un recorrido por el desarrollo de varios tipos de estos motores, desde los primeros motores de iones hasta los motores de inducción de los que la mayoría nunca ha oído hablar antes, incluso un hacker de alta tensión como el suyo.
Rueda eléctrica Franklin
Rueda eléctrica de Franklin
En 1748, Benjamin Franklin inventó lo que llamó la rueda eléctrica. Esto generalmente se cita como el primer motor electrostático y, a veces, como el primer motor eléctrico, según su definición. El rotor constaba de un cubo de madera con 30 varillas de vidrio unidas a la circunferencia. Estas barras eran tiras cortadas del vidrio de una ventana. Se colocaron dedales de latón al final de cada barra. Para facilitar el giro, el rotor tenía un eje central con una punta de hierro en la parte inferior y un cable fuerte en la parte superior, el cable atravesaba un orificio para mantenerlo completamente en posición vertical.
La fuente de energía consistía en dos frascos de Leyden cargados de manera opuesta, el nombre original dado a un condensador cilíndrico hecho por algún tipo de frasco. El frasco, y por lo tanto el dieléctrico, era de vidrio en la época de Franklin. Un cable se extendía hacia arriba desde la placa del condensador interior y este cable se colocó cerca de donde pasarían los dedales. Cuando pasaba un dedal, se producía una chispa entre el dedal y el cable, cargando el dedal con la misma polaridad que la placa interior. Al estar cargado, el dedal se soltaría de ese cable, girando la rueda. Debido a que el dedal llegaba al cable de la embarcación Leiden opuesta, al ser una carga opuesta, lo atraería hacia el cable de la embarcación. A medida que pasaba, se producía una chispa entre los dos, cargando el dedal con la misma polaridad que ese cable y haciendo que retrocediera, girando la rueda aún más.
La dirección inicial de la rueda se fijó empujándola con la mano. En una carta (página 29), Franklin escribió que giraba de 12 a 15 RPM, con el peso de cien dólares españoles. También escribió esto:
si se ve una gallina grande en el eje vertical, se la lleva alrededor del fuego con un movimiento adecuado para asar.
Remolino eléctrico
Remolino eléctrico en acción
Cómo funciona el vórtice eléctrico
Vórtice eléctrico en generador Van de Graaff
Este motor es un poco más antiguo que el de Franklin y data de 1745. Fue fabricado por Andrew Gordon, un monje benedictino escocés. Tiene muchos nombres, pero el nombre original era el remolino eléctrico. La idea básica es que un campo eléctrico en un punto agudo será más fuerte que en un punto liso. Este fuerte campo ioniza el aire cerca del punto y, dependiendo de la polaridad, puede incluso emitir electrones al aire. Este aire ionizado se llama corona. En ambos casos, el aire ionizado alrededor de la punta tiene la misma polaridad que el material que consiste en la punta afilada. A medida que cargas similares se repelen entre sí, el aire ionizado repele la punta afilada. Por supuesto, ha oído hablar de la tercera ley de Newton, que básicamente dice que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Entonces, el aire es repelido en una dirección y la punta afilada reacciona por repulsión en la otra dirección. Organice el punto de un brazo que puede moverse alrededor de un eje, y el brazo girará alrededor de ese eje. El aire ionizado en movimiento a menudo se llama viento iónico y, por lo tanto, a menudo se llama rotor de viento iónico, o parabrisas iónico o rueda de pasador.
Por lo general, hay dos puntos, cada uno con sus brazos apuntando en direcciones opuestas para crear un sistema más estable. Por supuesto que puede haber más. El que se muestra aquí se encuentra en la parte superior de la cúpula del generador Van de Graaff, que es de alto voltaje en relación con la tierra. El remolino eléctrico está en contacto eléctrico con la cúpula a través del eje de soporte. El otro extremo del campo eléctrico es el aire circundante, la parte inferior del generador de Van de Graaff y la cámara.
Motor Poggendorff / Corona
Máquina de influencia de Holtz
La década de 1860 fue una época en la que muchos experimentaron con máquinas influyentes, llamadas máquinas que usaban inducción electrostática. influencia en ese momento para producir altos voltajes. Uno de esos experimentadores fue Wilhelm Holtz. En 1867, con un trazo brillante, conectó la salida de una máquina similar a una propia y descubrió que funcionaría como un motor. Y así, en 1869, JC Poggendorff construyó una versión simplificada de la máquina de Holtz, que solo tenía lo que necesitaba para funcionar como motor.
Motor Poggendorff
El motor de Poggendorff consistía en un disco de vidrio con peines a ambos lados. Los peines tenían puntas afiladas dispuestas de modo que las puntas estuvieran cerca del disco pero sin tocarse. Los peines se podían girar para que fueran estrictamente radiales con respecto al disco. En este caso, el disco no funcionaba automáticamente y, una vez girado con la mano, seguiría girando en esa dirección. Sin embargo, los peines también se pueden girar en un ángulo fuera del radio. En este caso, el propio disco se iniciaría y sería unidireccional.
Una diferencia entre la rueda Franklin y el motor Poggendorff es que los asientos Franklin se cargan en los dedales con una bujía, mientras que los piñones Poggendorff se cargan en el disco con aire ionizado o una corona. Esta corona es la misma que mencionamos cuando hablamos del remolino eléctrico, y tiene la misma forma: las puntas afiladas dan como resultado un fuerte campo eléctrico que ioniza el aire.
De manera similar al área de Franklin del disco, al acercarse a un peine se carga con la polaridad opuesta en relación con el peine y, por lo tanto, atrae al peine. Y el área que se aleja del peine se carga con la misma polaridad y, por lo tanto, es repelida.
Motor corona
El motor Poggendorff también tiene algunas ventajas sobre la rueda eléctrica Franklin. Los peines siempre emergen en el disco, produciendo una rotación continua, mientras que en Franklin, esto solo sucede cuando un dedal pasa por un frasco de cuero. Además, siempre hay la misma cantidad de superficie de disco en los peines, lo que da como resultado un par constante.
Dado que la corona es el mecanismo para transmitir la carga, estos tipos de motores se denominan generalmente motores de corona. Y en muchos de ellos el disco se sustituye por un cilindro. Los peines están hechos de solo los extremos afilados de alambres delgados o de hojas largas y afiladas como en el que se muestra aquí, que fue agotado por la electricidad atmosférica.
Motores de condensador
Motor de condensador
Este siguiente tipo de motor fue inventado en 1889 por Karl Zipernowsky, pero una versión ilustrada más fácil es la de 1904 por NG van Huffel.[1]. En él, el rotor y el estator constan de dos cilindros parciales o placas curvas. Las placas del rotor tienen un diámetro ligeramente más pequeño para encajar dentro de las placas del estator.
Las placas del estator se cargan en sentido antihorario y las placas del rotor reciben una carga de sus placas del estator adyacentes por contacto deslizante justo cuando giran alejándose de esas placas. Por lo tanto, se alejan de la placa de estator adyacente y alcanzan una posición en la que luego atraen la siguiente placa de estator.
La gran diferencia entre todos estos motores está en la forma en que se mueve la carga, por chispas como en Franklin, por corona o por contactos deslizantes. Sin embargo, debido a que aquí se utilizan contactos deslizantes, estos motores pueden funcionar con un voltaje más bajo que los demás. Estos también pueden ser alimentados por CA.
Motores de inducción
Motor de inducción
El motor de inducción es el que funciona según quizás el principio más interesante. El rotor no está conectado eléctricamente a ninguna fuente de energía y está hecho de material dieléctrico. Las placas del estator circundantes se alimentan con corriente alterna, por lo que hay un campo eléctrico giratorio que rodea al rotor. Este campo eléctrico induce la polarización de las moléculas en la superficie del rotor. Desde el punto de vista del estator, esto aparece como una carga neta.
La clave es que, si bien los campos de las placas del estator cambian de polaridad, se necesita tiempo para que la polarización del rotor cercano cambie en respuesta. Esto crea un retraso entre el campo en movimiento y las moléculas polarizadas. Este retraso hace que el rotor siga el campo.
La ilustración que se muestra aquí es de Rocardo Arno en 1892-1893.[1].
¿A dónde se fueron todos los motores?
Como hemos dicho, los motores electromagnéticos son mucho más potentes. Pero los motores electrostáticos se utilizan de hecho en motores MEMS de dimensiones microscópicas. Y, por supuesto, realmente no fueron a ninguna parte si se considera a los hacedores de travesuras electrostáticas que aman revivir estas viejas maravillas mecánicas. He estado involucrado en remolinos eléctricos y motores corona y he pedido treinta pulgares a China para algo que el lector atento puede adivinar. ¿Con qué motores electrostáticos jugaste en el laboratorio de tu casa?
Recursos:
[1] Motores electrostáticos: su historia, tipos y principios de funcionamiento por Oleg D. Jefimenko
AMS dice:
Ellos no se fueron. Hay algunos trabajos en Madison, WI que producen máquinas electrostáticas con densidades de par similares a los motores magnéticos industriales. Tanto una empresa como un profesor en la Universidad de Wisconsin.
http://www.c-motive.com/
http://ludois.wempec.wisc.edu/electric-machines/Steven Dufresne dice:
Mojosa.
Ostraco dice:
"Para producir más torque y hacer la transición a una posición competitiva, una máquina electrostática debe poseer una gran área de superficie de un rotor estator sumergido en un medio dieléctrico para almacenar carga eléctrica a un alto potencial. Nuestro grupo utiliza líquidos dieléctricos, estructuras impresas en 3D con alta superficie y electrónica de potencia de media tensión para desarrollar máquinas electrostáticas de alto par para accionamiento directo de baja velocidad ".
Damas y caballeros. ¡Empiece a utilizar sus impresoras 3D!
Dax dice:
La cuestión es que, en aplicaciones prácticas como los coches eléctricos, la densidad de par no es la preocupación más importante.
El par es linealmente proporcional a la corriente, mientras que las pérdidas en mm son proporcionales al cuadrado de la corriente, por lo que dividir el par a la mitad y duplicar la velocidad del motor reduce las pérdidas en mm en un 75%. Asimismo, reducir a la mitad la velocidad y duplicar el par aumenta las pérdidas en un 300%.
La cantidad de cobre y materiales magnéticos también se reduce cuando el motor está construido para funcionar más rápido, por lo que se vuelve más pequeño y liviano; si la velocidad del motor no está limitada, entonces la densidad de potencia del motor se vuelve Proporción inversa. con su densidad de par, y la potencia siempre se puede transformar en par mediante engranajes.
NiHaoMike dice:
Una vez envolví sin apretar un extremo de un trozo de cable 30AWG alrededor de la salida de un transformador dorsal y doblé el otro extremo en ángulo. Enciéndelo y el cable comenzó a girar sorprendentemente rápido.
Ren dice:
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Ostraco dice:
"Por supuesto que ha oído hablar de la tercera ley de Newton, que básicamente dice que para cada acción hay una reacción igual y opuesta".
¡Esperar! ¡Esperar! ¿Qué? ¿Hay un tercero? 😀
En serio, hay una cosa obvia sobre los motores electrostáticos especialmente importantes para su época. Facilidad de diseño y construcción.
Steven Dufresne dice:
Sí, hay un tercero. https://en.wikipedia.org/wiki/Newton's_laws_of_motion Tal vez hayas olvidado el segundo número, F = ma. No es tan divertido como uno y tres. A veces pienso en eso al cruzar una intersección y sospecho que el automóvil detenido (objeto de masa) está a punto de acelerar. En ese caso, incluso con una aceleración baja, F puede al menos rodarlo hacia el parabrisas delantero.
Nathan Allen dice:
F = ma está bien, pero con todas las cosas de salud y bienestar electrónicos de moda, la gente parece estar más interesada en W = mg. 🙂
Ganso Andeluse dice:
¡Claramente, no he hecho lo suficiente!
Sin embargo, me siento bastante engañado de que en toda una clase sobre maquinaria electromagnética no me hayan presentado por primera vez estas maravillas históricas.Tore Lund dice:
El timbre eléctrico Oxford ha estado en funcionamiento durante 177 años: https://www.youtube.com/watch?v=r_jlZWbo33M, que en esta definición es un motor electrostático lineal.
