Historias de levantamiento de cabello de generadores electrostáticos

Tendemos a pensar en la electricidad como parte del mundo moderno. Sin embargo, Tales de Metón registró información sobre la electricidad estática alrededor del 585 aC Este filósofo griego descubrió que frotar un ámbar con piel haría que el ámbar atrajera objetos ligeros como plumas. Curiosamente, unos cientos de años después apareció el aeolipile, una tosca máquina de vapor a veces llamada locomotora heroica. Si los antiguos combinaran las dos ideas, podrían inventar el tema de este cartel: generadores electrostáticos. Hasta donde sabemos, no lo hicieron.

Fue en 1663 antes de que Otto von Guericke experimentara con un globo de azufre frotado a mano. Esto hizo que Isaac Newton sugiriera globos de vidrio y muchas otras mejoras de otros contribuyentes, desde una almohadilla de lana hasta un electrodo colector. En 1746, William Watson tenía una máquina que constaba de varios globos de vidrio, una espada y un cañón de pistola.

Barricadas

Parte del problema de experimentar con la electricidad en la antigüedad es que la gente no entendía realmente para qué era o para qué la usarías. Hubo varios dispositivos que aparecieron alrededor de 1600 que facilitaron el trabajo en proyectos electrostáticos. Un líder entre ellos fue el electroscopio. La versión de William Gilbert fue la primera de ellas. Parecía una aguja de brújula no magnetizada y rotaría para indicar cargas eléctricas. Además, puede crear fácilmente su propia versión, y parece que tiene que ser muy imprimible en 3D. Gibson parecía más una aguja de brújula y menos una hélice, pero aparentemente ambos funcionan. Hemos visto muchos tipos de sugerencias de reemplazo, incluidas las pajitas en el video a continuación (ayuda si habla portugués, pero probablemente aún tenga la idea).

Además de usarlo como demostración en el aula, la versión ya no se usa mucho. Sin embargo, todavía ve algunos otros tipos de electroscopios, el nombre de la clase de instrumentos que detectan la carga eléctrica. John Canton introdujo el electroscopio con una bola en 1754. Esto es un poco más que una bola de plástico en un alambre que cuelga de un soporte. El original usaba un núcleo, como habrás adivinado. Este es un material que proviene del interior de las plantas y, eso sí, se usa para hacer un casco real. También es un aislante que es la propiedad clave.

Sea cual sea el material, la idea es sencilla. Un objeto cargado atraerá la bola principal hacia él y un objeto neutral no lo hará. El mecanismo del yo para eso es interesante. Los electrones en la cavidad no pueden dejar sus átomos fácilmente; si pudieran, el material sería conductor. Pero pueden moverse dentro de su átomo asociado. Un objeto cargado atraerá o repelerá los electrones, que por supuesto están cargados negativamente. Esto colocará la partícula atraída (ya sea electrones o el núcleo positivo debido a los protones) más cerca del objeto cargado que las partículas opuestas. Esto significa que la fuerza de atracción será ligeramente mayor que la fuerza de repulsión. La diferencia de fuerza es minúscula, pero suficiente para observar.

Mejorando

Es un poco mejorable, y eso es usar bolas de dos libras. Si toca una bola con el objeto cargado mientras toca la otra bola, entregará una carga a ambas bolas. Dado que las bolas están igualmente cargadas, rebotan entre sí. La cantidad de separación puede dar una indicación de qué tan fuerte es la carga. Otra variación de este diseño usó pajitas en lugar de una cavidad, pero la idea era la misma.

Sin embargo, las bolas de núcleo y la paja tienen mucha masa, relativamente hablando. Esto llevó a Abraham Bennet en 1787 a desarrollar el electroscopio de hoja de oro. Se trataba de dos pequeños trozos de pan de oro colgados en un recipiente de vidrio para bloquear los flujos de aire. En la parte superior del contenedor había una terminal para aceptar el cargo. Esta carga pasa a las hojas de oro y se desintegran, al igual que un par de glóbulos pero mucho más sensibles. El conocido canal de YouTube Rimstar.org (¡el propio Steven Dufresne de La-Tecnologia!) Tiene un buen video sobre cómo hacer un electroscopio de hojas, que puede ver a continuación.

El otro invento útil hecho por separado por Ewald Georg von Kleist y Pieter van Musschenbroek fue el frasco de Leiden que apareció alrededor de 1745. Se trata de un simple condensador. La parte del lanzador es exactamente como suena; jarra de vidrio. El recipiente tiene un revestimiento por dentro y por fuera que forma las placas del condensador. El vidrio, por supuesto, es el dieléctrico. La hoja interior tiene algún mecanismo para conectarse a través de la tapa del frasco. No pasó mucho tiempo antes de que la gente se diera cuenta de que podían usar una placa de vidrio plana o incluso saltarse el vidrio, aunque el vidrio mejoró el condensador porque es mejor dieléctrico que el aire.

De hecho, las primeras jarras usaban agua como plato interior y una mano humana como plato exterior. Obviamente, eso dejaba mucho que desear. Un frasco de Leyden típico de una punta tiene una capacidad de aproximadamente un nanofarma. Benjamin Franklin, con una reputación de $ 100, hizo varios experimentos iniciales con frascos de Leyden. James Lincoln tiene un buen video a continuación que muestra el mismo frasco con el que Franklin experimentó y que puede separar.

Otro lugar del que quizás escuches hablar de Leiden, además de la hermosa ciudad de los Países Bajos, se encuentra en las 20.000 leguas bajo el mar de Julio Verne. Una bola de Leyden aparece en ese libro como una bala ficticia que tiene una carga eléctrica. Una especie de taser o pisón del siglo XIX.

Generacion

Equipado con una forma de medir la carga y almacenarla, era inevitable más trabajo en la generación. En 1783 los holandeses tenían una máquina que utilizaba discos de vidrio con un diámetro de casi dos metros. Incluso Georg Ohm, cuyo nombre debe conocerse, tenía una máquina igualmente grande para experimentos.

Todas las primeras máquinas eran básicamente mejores versiones de frotar la piel con un palo de color ámbar. Se denominan máquinas de fricción. En verdad, la acusación no se produce por fricción, en si mismo. Si pones dos objetos no conductores juntos, generarás una carga donde se tocan. El problema es que los objetos cotidianos que pueden parecer planos no lo son tanto. Por lo tanto, el simple hecho de contactarlos deja muchos pequeños huecos y reduce la cantidad cargada creada. Sin embargo, la fricción provoca un contacto más directo a través del material.

Un mejor enfoque es la llamada máquina de influencia. Estas máquinas utilizan inducción electrostática, un principio descubierto en 1753 por John Canton y nuevamente en 1762 por Johan Carl Wilcke. Esta inducción utiliza un mecanismo similar al que opera en el electroscopio. Un objeto cargado cercano hace que los electrones atraigan o repelan la carga. En un aislante, los electrones pueden entrar ligeramente solo en sus átomos, pero en un conductor, algunos de los electrones pueden moverse libremente a través del objeto. La carga neta permanece neutra, pero la distribución de la carga a través del objeto cambiará.

La diferencia con la carga inductiva es que una vez que el objeto que queremos cargar ha redistribuido su carga, se conecta a tierra. El suelo, para este propósito, tiene un número casi infinito de cargas positivas y negativas. La carga exterior cercana atraerá la carga opuesta de la tierra, lo que hará que esa carga permanezca en el objeto que queremos cargar. Entonces, si una carga positiva está cerca, una carga negativa fluirá hacia el objeto dejándolo cargado negativamente. Otra forma de pensarlo es que la conexión a tierra del objeto elimina las cargas empujadas por el objeto cargado externamente.

Vueltas y vueltas

Volta construyó una especie de condensador que usaba inducción para crear un desequilibrio de carga llamado electróforo. El electróforo tenía una placa dieléctrica y una placa de metal con mango aislante. Frotaría la placa dieléctrica para cargarla y luego colocaría la placa de metal sobre ella. Poner a tierra la placa temporalmente hará que cambie a la carga opuesta. La carga del dieléctrico no cambia, por lo que puede usar la placa de metal para transferir la carga y luego regresar y obtener un poco más. Al menos hasta que la carga sangre naturalmente. Por supuesto, la nueva carga en realidad proviene de la tierra, por lo que no está violando ninguna ley de conservación.

Estos no son difíciles de hacer. Puede ver el video de Thomas Kim usando algunos platos para pastel y otros artículos para el hogar a continuación. Fíjense, cuando toca el plato, usa su cuerpo para molerlo. Además, puedes verlo multiplicar una carga pasando repetidamente una carga entre dos placas.

Georg Christoph Lichtenberg hizo un electróforo de seis pies con poleas que podían producir una chispa de quince pulgadas y esto llevó a las figuras de Lichtenberg. Estas máquinas fueron las precursoras de todas las máquinas inductivas o influyentes que luego gobernarían la generación electrostática.

Las máquinas de influencia utilizan dispositivos electroforéticos de múltiples etapas para amplificar la carga. La mayor innovación fue el movimiento de un movimiento lineal para acercar los objetos a un movimiento de rotación más fácilmente mecanizado.

A mediados del siglo XIX, existía una vertiginosa variedad de máquinas de influencia rotativas, como la máquina Holtz y la máquina Schwedoff. También había varias máquinas mixtas que utilizaban la fricción y la influencia como la máquina Kundt. Puede encontrar una lista muy amplia de máquinas construidas por Antônio Carlos M. de Queirozif. También se conecta a otras máquinas similares, pero el número que ha construido personalmente es muy impresionante.

En 1878, James Wimshurst tenía como objetivo mejorar la máquina Holtz y su proyecto se hizo muy popular después de su publicación en 1883. Aparentemente, Holtz y Masaeus construyeron máquinas similares pero no obtuvieron el voto popular. La máquina es un accesorio común en los laboratorios de películas y tiene discos de vidrio antirrotación con placas metálicas fijadas. A medida que giran los discos, una carga inducida crece y se acumula, generalmente en un recipiente de leden. Puedes encontrar muchos planos e incluso comprar equipo si quieres tener el tuyo propio para decorar tu laboratorio. También los hemos visto los láseres de potencia, por lo que hay algunos usos prácticos incluso ahora. Si lo que quieres es barato, lleva algunos CD y botellas de bebida y compra (ver más abajo).

Van de Graaff

Hay literalmente docenas de docenas de diferentes tipos de máquinas electrostáticas construidas durante este período. Sin embargo, si ve uno como este hoy, es una buena apuesta que será una máquina Wimshurst o un generador Van Graaff.

Este tipo de generador tiene una bola de metal en la parte superior y una correa aislante que va desde la base de la máquina, a través de un tubo y hacia el interior de la bola de metal. El cinturón se carga en la base y un peine de metal transmite la carga del cinturón al globo.

Un físico del MIT llamado Robert J. Van de Graaff desarrolló este arreglo en 1929 para usarlo como acelerador de partículas. También hubo una famosa columna de Scientific American Amateur Scientist que describía cómo hacer un acelerador de partículas de este tipo. El globo del generador de Van de Graaff entró en contacto con un dispositivo de aspecto similar que no tenía cinturón, sino que tenía una fuente de electrones (filamento) en el vacío. La carga positiva en el globo aceleraría los electrones hacia el globo y cualquier cosa en el tubo entre la base y el globo sería bombardeada con electrones rápidos.

Para 1931, estas máquinas podían producir un millón de voltios y, con el uso de gas aislante, eran posibles 25 megavoltios. Sin embargo, el ciclotrón eventualmente reemplazó a Graaff Van como la máquina seleccionable para acelerar partículas y conduciría a cosas como los supercargadores contemporáneos.

Rimstar.org tiene un buen video que muestra uno de estos generadores e incluye mucha información sobre su funcionamiento que puede ver a continuación.

Electrostática hoy

En los Países Bajos se ha utilizado un tipo de generador electrostático que utiliza gotas de agua cargadas y el viento. La electrostática se utiliza en fotocopiadoras, revestimientos en polvo, pulverización de pintura, cubiertas antipolvo y más. Sin embargo, hoy en día es más probable que el campo electrostático provenga de un dispositivo electrónico, como un hilo de corona, en lugar de un generador tradicional.

Sin embargo, todavía se ven estos viejos generadores en los museos de ciencia levantando los pelos y creando grandes chispas. Estas máquinas recuerdan una época anterior y comprenderlas puede ayudarlo a pensar mejor sobre la verdadera naturaleza física de la electricidad.

  • Ostraco dice:

    Sí la electrostática tiene usos *, aunque una máquina dedicada a ello, no tanto.

    Motores electrostáticos, etc.

    • AMS dice:

      El aire es un dieléctrico terrible para el funcionamiento electrostático. Deje de usar aire y podrá hacer un motor electrostático bastante bueno.

      https://www.c-motive.com/products

  • kellott121 dice:

    Siempre me he preguntado si será posible crear una aspiradora electrostática para reemplazar o aumentar la tradicional basada en succión. En lugar de una varilla rodante y una entrada de aire, podría ser solo una placa de metal con un alto voltaje que acumula polvo del piso.

    • reggy dice:

      Hay cepillos que utilizan una pequeña fuente radioactiva para neutralizar las cargas estáticas para que el cepillo pueda eliminar el polvo. Puede leer sobre ellos aquí: http://www.company7.com/staticmaster/products/staticmaster.html Se utilizan en fotografía y por algunos entusiastas de los discos vyinal.

  • Daren Schwenke dice:

    Me gusta el arte. Parece un Benchoff Doc Brown electrificado.

  • mrehorst dice:

    Creé principalmente un VDG imprimible en 3D que produce aproximadamente 520 kV en un día seco. Ver: https://drmrehorst.blogspot.com/2017/09/this-is-what-can-you-do-with-3d-printer.html
    Utiliza ensaladeras de 14 ″ de Ikea, que forman una esfera casi perfecta para el electrodo superior, y cojinetes extraídos de viejos discos duros. Los rodillos están impresos en 3D, así como los soportes para el motor y el electrodo superior. La columna era originalmente una pieza de tubería de PVC, pero recientemente cambié a un drenaje de 4 ″ más barato y más liviano. El cinturón está hecho de cinta de ejercicio y un rollo está cubierto con cinta de aluminio y el otro con cinta de teflón. Se carga muy rápido y produce chispas largas, hermosas y dolorosas. El motor es una pequeña parte de 12VDC de un regulador de asiento de automóvil, pero casi todos los motores funcionarán.
    Foto: https://2.bp.blogspot.com/-4egrnADHrrM/WqIgjRDKvfI/AAAAAAAAAVIQ/OhN0-pTxv4EHy8LGmt5JNhOByrIpXcEFACLcBGAs/s1600/0309000gcrop

    Video aquí:

    Planeo producir VDG con dos motores HDD insertados en el rodillo inferior. El truco seguirá siendo que el conductor no es asesinado por ESD.

    Si alguna vez administra un stand en una feria comercial o Maker Faire, VDG es un verdadero placer ...

    • KeeCoyote dice:

      Puedes hacer un buen gemerat0r Van De Gtraaf con refresco de aluminio. motor de corriente continua algunos rodillos de plástico de madera y motor de corriente continua

  • RandyKC dice:

    ¿Alguien sabe el número de patente de ese generador eólico de partículas cargadas?

  • RandyKC dice:

    ¿Alguien sabe el número de patente de ese generador eólico de partículas cargadas?

    • RandyKC dice:

      Es muy similar a esta patente:
      https://patents.google.com/patent/US4146800A/en?q=Charged+particle&q=wind&oq=Charged+particle+wind
      Un artículo relacionado se atribuye a:
      El EWICON fue diseñado por el estudio de arquitectura Mecanoo utilizando tecnología desarrollada por investigadores de la Universidad Técnica de Delft Johan Smit y Dhiradj Djairam.
      Que no puedo encontrar. Interesante.

  • Mate dice:

    Pequeña corrección, Tales de Mileto. Extrañas la l. Trabajo para la empresa que lleva el nombre del hombre.

  • Brian dice:

    Siempre me ha gustado el dibujo de Pelletron

    https://eo.wikipedia.org/wiki/Pelletron

    Pero nunca vi una casa construida.

  • jawnhenry dice:

    Los ataques "Clear Air Lightning" resultan en torres de individuos, o incluso mueren en un clima completamente despejado, sin precedentes. Esto se debe al hecho de que el potencial de la atmósfera está creciendo a un ritmo de unos 100 voltios / metro de altitud cada vez mayor, comenzando en la superficie de la tierra. Este fenómeno probablemente esté relacionado con la referencia del artículo - "... Una especie de generador electrostático que utiliza gotas de agua cargadas y el viento, se ha utilizado un poco en los Países Bajos ..."

    Buen material de truco.

    • jawnhenry dice:

      "... Buen material para hackear. "

      Este fenómeno se utilizó como un dispositivo estacionario para un modelo de avión RC ("estación de conservación" consistía en "mantener la altitud") hace muchos años, en un artículo muy detallado en una revista entonces prominente sobre modeladores RC. Recuerdo haber hecho una copia del artículo para un amigo que era un ávido fan de RC. No tengo más detalles, pero espero que esto sea algo para que fluya tu creatividad ...

  • Rex Bradley dice:

    Yo era un nerd aficionado a la electrónica cuando era un niño en los años 60-70 ... Revisé una pila de viejas revistas electrónicas populares. Eran viejos cuando los encontré. Un artículo interesante que recuerdo fue Cómo construir tu propio generador MONSTER Van De Graaf a partir de una vieja lavadora. (¡Podría valer la pena mirar hacia arriba y agregarlo a esta pila genial!)
    Gracias por todos los trucos. También pirateo todo.

  • Steven Greenfield dice:

    ¡Gracias por corregirlo! No tantos.

    “En verdad, la acusación no es una cuestión de fricción, per se. Si pones dos objetos no conductores juntos, generarás una carga donde se tocan. El problema es que los objetos cotidianos que pueden parecer planos no lo son tanto. Por lo tanto, el simple hecho de contactarlos deja muchos pequeños huecos y reduce la cantidad cargada creada. Sin embargo, la fricción provoca un contacto más directo a través del material. "

Pedro Molina
Pedro Molina

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