Máquinas de Wimshurst: alto voltaje de los dioses

Demostración de la máquina de Wimshurst

La máquina de Wimshurst es una de las máquinas electrostáticas más antiguas y conocidas, que consta de sus icónicos dos discos antirrotación y dos frascos de Leyden. La mayoría de las veces ves que alguna mano lo enciende, produciendo chispas, aunque lo hemos visto usado para mucho más, incluso para operar un compresor de humo para limpiar el humo e incluso para operar un láser.

Funciona mediante una interesante secuencia de eventos. La mayoría de las explicaciones intentan presentar todo en una imagen, lo que requiere una importante gimnasia mental para visualizar. Esto a menudo significa que la gente se rinde y se abstiene de asumir este trabajo a través de algunas mecánicas míticas del yo que desafían la capacidad de comprensión de un mortal.

Entonces, en cambio, hagamos una explicación paso a paso.

El comienzo: cargar los sectores

Visión general del sector

Cada disco está cubierto con sectores metálicos en sus lados exteriores. La secuencia de eventos comienza en cualquier sector que tenga una cantidad desigual de carga positiva o negativa. Siempre que los sectores estén limpios y secos, normalmente se carga al menos uno. Digamos, por ejemplo, que uno tiene una carga negativa neta y está en la unidad delantera.

Esta carga negativa neta afecta al sector más cercano en la unidad trasera, repeliendo una carga negativa en el lado más alejado dejando el lado cercano con una carga positiva. Esto se llama inducción electrostática, y es por eso que la máquina de Wimshurst se llama máquina de influencia, porque la carga en un sector afecta la distribución de carga en otro sector.

Luego, pasemos a la unidad trasera y veamos qué le está sucediendo a ese sector afectado.

El neutralizador bloquea la neutralización

Lo siguiente que sucede es el verdadero genio. Cada disco tiene una barra neutra. Cada extremo de una barra neutra tiene un pincel que toca los sectores a medida que pasan. Y hay un número par de sectores. Todo esto significa que cuando un cepillo toca un sector, la varilla neutralizadora ahora conecta eléctricamente ese sector con otro sector en el otro extremo de la varilla neutralizadora. Los acorta.

Supongamos que un cepillo neutralizador afecta al sector afectado, el que se muestra arriba, que tiene su carga redistribuida para que sea positivo hacia los lados hacia adentro y negativo hacia los lados tocando el cepillo. Aunque el sector en su conjunto es neutral, la barra de neutralización solo ve el lado cargado negativamente. Ahora ve un desequilibrio entre los dos sectores afectados por sus dos cepillos. Esto provoca un flujo de corriente para restaurar ese equilibrio. Parte del cargo negativo fluirá de nuestro sector afectado al otro sector. Desde la perspectiva de la barra de neutralización, ahora ha neutralizado la carga en los dos sectores.

Influir en otros sectores: vistas frontal y posterior

Cuando el disco aleja los sectores de la barra de neutralización, el primer sector permanece cargado positivamente, ya que recientemente se le ha quitado algo de carga negativa. Y habiendo recibido esa carga negativa, el otro sector permanece cargado negativamente.

Estos sectores cargados giran más hacia aquel en el que se enfrentan a sectores en la parte frontal del disco justo cuando esos sectores se ven afectados por los cepillos de la barra neutralizadora en ese lado. Y así, los sectores recién cargados influyen en la carga en más sectores, y así sucesivamente.

Un hallazgo útil es que este evento influyente y neutralizador hace que un sector haga que el sector que gira hacia él en el otro disco cargue una carga opuesta. Nuestro sector cargado negativamente ha creado un sector cargado positivamente. Este sector cargado positivamente, después de que el disco girara, creó un sector cargado negativamente.

Cargos codificados a los coleccionistas

Cargas giratorias y recolectores

Los discos delantero y trasero (que giran en direcciones opuestas) provocan las cargas como se muestra arriba.

Puede que le lleve un tiempo convencerlo (porque ve las vistas frontal y trasera una al lado de la otra), pero todos los valores cargados negativamente se dirigen al recolector izquierdo y todos los sectores cargados positivamente al recolector derecho. También notarás que los sectores que acaban de pasar los coleccionistas han recibido sus cobros, bien ganado. Son totalmente neutrales hasta que llegan a los pinceles neutralizadores, donde los anteriores influyendo y neutralizando los recargamos.

Coleccionista con corona Foto de primer plano de la colección

Los coleccionistas no afectan los sectores. En cambio, tienen puntas afiladas que miran a los sectores y tienen un espacio de aire entre ellos. Esta es una técnica bien conocida que hemos visto anteriormente en el funcionamiento de los generadores Van de Graaff. Cada colector tiene puntas afiladas en sectores en ambos discos que facilitan la transferencia.

Usando el colector izquierdo como ejemplo, la carga negativa en los sectores repele los electrones de los puntos, dejando una carga positiva. Debido a que son puntas afiladas, esta carga positiva se comprime dando como resultado un campo fuerte en el espacio cerca de los puntos. Este fuerte campo eléctrico rompe las moléculas de aire y comienza el proceso de hacer que el aire sea conductor, formando una corona azulada cerca de los puntos. Es este aire conductor el que hace que la carga negativa de los sectores cruce el espacio hacia el colector. Eso vuelve a dejar a los sectores neutrales.

Algo similar sucede en el colector correcto, justo con cargas opuestas. Debido a que esos sectores son positivos, los sectores recibirán electrones del colector, haciendo que esos sectores vuelvan a ser neutrales.

Pero, ¿de dónde va y viene toda la deuda que se utiliza para neutralizar los sectores? Allí juega un papel el resto del circuito.

Los jarrones de Leyden y Spark

Circuito de máquinas de Wimshurst

El resto del circuito consta de un generador de chispas y dos frascos de Leyden. Los dos frascos de Leiden son solo dos condensadores cilíndricos conectados en serie. El espacio de chispa también se puede considerar como un condensador, aunque uno con un dieléctrico que se rompe fácilmente y que tiene una capacidad baja en comparación con los frascos de Leiden. La chispa es paralela a los frascos de Leiden, y ambas paralelas a los colectores.

Esto significa que los colectores están conectados entre sí por los discos, pero también por los condensadores de vaso / chispa de Leiden.

Una carga recogida por los sectores carga los frascos de Leiden y la chispa. Los frascos de Leiden están diseñados para soportar un voltaje más alto que la chispa, por lo que la chispa es la primera. Cuando ocurre, produce un cortocircuito. Todas las cargas acumuladas en los frascos Leden se descargan rápidamente a través de la chispa como una chispa, neutralizando los frascos Leden hasta que el proceso de carga comienza de nuevo.

Resumen

Básicamente, por inducción, las barras neutralizadoras se engañan para que carguen los sectores. Los recolectores recogen esa carga y la almacenan en frascos de Leyden y la chispa. Cuando la carga ha dado como resultado un potencial suficiente a través de la chispa, se produce una chispa que cortocircuita los frascos de cuero hasta que se pueda volver a recolectar suficiente carga para otra chispa.

Pero como dijimos, pueden usarse para algo más que producir chispas. Dos ejemplos que vimos aquí en La-Tecnologia son para operar una prensa de humo y para operar un láser TEA.

• DV82XL dice:

  Hace años vi un diseño más moderno de este tipo de generador que usaba varillas de metal que estaban enraizadas en un concentrador de PVC. Produjo descargas bastante impresionantes.

  • anasciencisto dice:

    Probablemente un generador de "Dirod".

    • DV82XL dice:

      Sí, eso es exactamente lo que era. No sabía su nombre hasta ahora, pero una imagen de Google devuelve varias imágenes de la máquina a partir de una búsqueda de ese término.

• Keith V. dice:

  Nunca había visto nada parecido en mi vida. Se dice que una persona tiene que aprender algo nuevo todos los días. Bueno, esto ciertamente cumplió con el requisito de hoy. ¡Gracias!

• echodelta dice:

  Hace años en Purdue tuvieron una demostración en un recipiente de roble y vidrio con discos de vidrio medidos. ¡Grieta!

  • Doug dice:

    Suena como la máquina que se exhibe en uno de los pasillos del edificio de ciencias en una pequeña universidad diversa cercana.En el pasado, el equipo médico se usaba en la oficina médica de una pequeña ciudad. Algunos de los "accesorios" me parecieron un poco extraños. Mientras el clima sea el adecuado, producirá una chispa grasienta, o lo hizo hace unos años.

• mhwlng dice:

  Vi uno en el Museo Teylers en Haarlem, Países Bajos, cuando era niño:

  https://www.teylersmuseum.nl/en/collection/instruments/fk-1204-electriseer-machine-naar-wimshurst?collection_id=8b7eb3d6ecb84a208c19f0c65d1a7742&b_start=203&set_language=en

• [skaarj] dice:

  En la década de 1930, Alemania desarrolló el primer microscopio electrónico, que funcionaba con muchas máquinas de Wimshurst. Eso fue durante la época nazi, por lo que hay poca información disponible en Internet.

  • Dave Davidson dice:

    https://sites.google.com/site/biologytimeline19301949/1932— primer microscopio electrónico

    Los préstamos que el Partido Nacionalsocialista sacó de los bancos mundiales pagaron muchas cosas, a esos banqueros no les gustó mucho.

    Pagado por esos banqueros

    http://www.iwm.org.uk/collections/item/object/205127097

• Royell dice:

  No necesito construir esto, ya tengo muchos proyectos.
  No necesito construir esto, ya tengo muchos proyectos.
  No necesito construir esto, ya tengo muchos proyectos ...

  • Rollyn01 dice:

    ¿Odias patearte mientras caes, pero lo haces funcionar con un motor Stirling? 😀

  • Dan Lufkin dice:

    Una búsqueda rápida no muestra que HD alguna vez se haya considerado un generador de gotas de agua Kelvin. Google muestra muchos ejemplos de este ingenioso gadget. Devolví uno cuando (c. 1962) el jugo de naranja se congeló en cajas convenientes. Funcionó bien y una vez sorprendió a tres médicos (físicos) al mismo tiempo.

• Capmo dice:

  Esta es una de las MEJORES publicaciones de HaD que he visto en algunos años. También es la primera vez que veo una explicación tan clara y bien presentada de cómo funciona la máquina de Wimshurst al generar alto voltaje a partir de un pequeño desequilibrio espontáneo inicial. EXCELENTE !!!

  • Steven Dufresne dice:

    ¡Gracias! Empecé a hacer un video al respecto hace unos años, de ahí salió el modelo 3D para los diagramas, pero me impidió intentar mostrar lo que está sucediendo en ambos lados de los discos al mismo tiempo. Así que desempolví el modelo y lo probé textualmente esta vez. ¡Me alegra saber que funcionó!

    • Galane dice:

      Haz una pantalla dividida.

      • Steven Dufresne dice:

        Hmmm ... Mi primer pensamiento fue que probablemente sería confuso, pero ver la misma animación de las cargas moviéndose a ambos lados de la pantalla dividida haría que el espectador entendiera de inmediato que ven dos vistas de la misma cosa. Definitivamente vale la pena. Gracias.

• burla dice:

  ¡Buena lectura sobre la máquina de Wimshurst!
  También me recuerda la canción de Eno: "St Elmo’s fire", con el famoso solo de guitarra de Wimshurst de R.Fripp.

• cplamb dice:

  Me preguntaba si se podría usar una máquina de Wimshurst para impulsar un tubo de rayos X.

  • Dave Davidson dice:

    Es hora de comprar PVC y un tubo de rayos X viejo en Ebay

  • Fred dice:

    Uno de los primeros usos de la caprichosa máquina fue en realidad para radiografías. Era la única forma de obtener suficiente voltaje para hacer funcionar el tubo de rayos X.

• TheRegnirps. dice:

  Tenía uno en mi salón de clases. A los estudiantes de secundaria les gusta comenzar. ¡Hacer clic! ¡Hacer clic! ¡Hacer clic! ¡Hacer clic! Y, por supuesto, lo mejor para cargar frascos Layden grandes.

• tedmeyers dice:

  Vi uno de estos cuando era niño, y desde entonces he querido construir uno ...

  • Fred dice:

    Yo también vi uno antes de La-Tecnologia hace años, me inspiró a construir uno. Piezas de latón usadas, teñidas toda la madera para que parezca vieja. Después de que terminé con la esposa, se la mostré. Se usó para enseñar a muchos niños (mi esposa trabaja con niños) sobre la electricidad estática.
    así que construye uno, muchos planes en la red.

• Galane dice:

  ¿Podrían cargarse los supercondensadores con esto?

  • Steven Dufresne dice:

    Recientemente medí la capacidad de todos los frascos de Leiden y el sistema de chispas en aproximadamente 14 picaduras. Con la chispa ajustada a 2,5 cm o 1 pulgada, se necesitaron aproximadamente 2 segundos de falta moderada para producir una chispa. Usando la fórmula aproximada de voltaje (kV) = 76.2 x spark_length_in_inches, eso es 76.2kV (hablamos de esa fórmula aquí https://la-tecnologia.com/2016/12/08/measuring-high-voltage-in-milimeters-and- otros-trucos-que-suenan-hv /).
    La energía almacenada en la red de condensadores de Wimshurst inmediatamente antes de la chispa fue 1 / 2CV ^ 2 = 1/2 x 0.000000000014F x 76.200V ^ 2 = 0.04 julios.
    El artículo reciente de Brian sobre el funcionamiento de una computadora portátil con supercondensadores (https://la-tecnologia.com/2017/03/03/powering-a-laptop-with-supercapacitors/) mencionaba supercondensadores de 2.7V, 500F. Usando 1 / 2CV ^ 2 nuevamente, cargados hasta 2.7V, estos pueden almacenar 1/2 x 500F x 2.7V ^ 2 = 1822.5 julios.
    Entonces, comparando los dos, 1822.5 julios / 0.04 julios, eso es 45 562 veces más energía.
    No tengo resistencias, de lo contrario, trataría de hacer el cálculo con tiempos constantes, pero de manera muy aproximada eso significa que tomaría 45 562 x 2 segundos = 91 1224 segundos = 25 horas para cargar el supercondensador con la máquina Wimshurst.
    De hecho, es mucho más rápido de lo que esperaba.
    De todos modos, las máquinas de Wimshurst son muy ineficientes debido a todas las pérdidas coronales alrededor de los sectores y cuando se entrega la carga de los sectores a los colectores, por lo que no es una buena solución para empezar. ¡Pero es interesante hacer los cálculos!

    • Kevin dice:

      Los comentarios de Steven son muy interesantes porque los datos numéricos sobre el rendimiento son raros. Estaba interesado en la corriente generada por su generador. Para cargar un capacitor a un voltaje dado, use la fórmula V = IxT / C. El uso de sus dígitos de 14pF, 70KV y 2 S indica que la corriente de carga es de alrededor de 1 / 2uA. Experimenté con generadores Van de Graff, donde la medición directa de la corriente de carga es posible y típicamente 10uA. Con esferas de 300 mm, mido chispas de 100 mm (300KV) cada segundo. Utilizando la misma fórmula, los resultados de la misma fórmula indican una capacidad esférica de 30 pF. Hasta aquí todo bien. Si llevo una puntada de costura a la esfera cargada, la chispa se detiene. La razón es que la alta fuerza de campo en la punta de la aguja inicia una descarga de corona que sangra la corriente de la esfera, reduciendo el voltaje. Incluso un administrador contundente, como un dedo, hará eso, lo suficientemente útil, porque puede endurecer la esfera sin un impacto severo. Como entonces, Wimshurst puede sostener chispas tan largas entre las puntas de las agujas con un flujo tan pequeño.

• Stefano dice:

  También utilizado como instrumento de tortura por los niños en "Grinny" de Nicholas Fisk para su desafortunada tía abuela Emma.

  • Greenaum dice:

    No, usaron una cámara. ¡Qué extraño que lo recuerde!

• Andrés M dice:

  Teníamos una máquina Wimshurst en casa cuando era niño y ahora está en mi garaje. Lo revisé antes de publicar algo descriptivo y creo que mi papá tuvo éxito. Los discos son negros, como los LP de pre-vinilo, pero suaves y sin segmentar, ¿cómo afecta eso a la descripción de cómo funciona?

  Tiene una base completamente de madera y soportes verticales, poleas Meccano y anteriormente tenía un cinturón de cuero, pero ahora no puedo ver eso. Papá solía tener los tubos de vidrio sellados que se iluminaban en colores pálidos como el rosa y el verde, y tal vez yo también los tenga.

  • Steven Dufresne dice:

    He oído hablar de las máquinas Wimshurst con unidades de sector y he visto fotos, pero nunca he experimentado con ellas. Esta página tiene mucho sobre su construcción y consejos para comenzar http://www.coe.ufrj.br/~acmq/bonetti.html.
    Parece funcionar de la misma manera, pero el hecho de que los sectores metálicos conductores de electricidad estén siendo reemplazados por plástico no conductor requiere las diferencias en la varilla neutralizadora, los colectores y cómo se inicia.
    Imagine que modificó la máquina en el artículo anterior eliminando los sectores.
    Lo primero con lo que debes lidiar son los cepillos neutralizantes. Debido a que la carga no se mueve sobre una superficie plástica no conductora, los cepillos neutralizadores tomarían el relevo solo desde donde hicieron contacto físico. Eso significa que no pagarían mucho en absoluto. Hacer los pinceles tan anchos como lo serían los sectores si aún tiene sectores no haría tanto contacto de superficie como cabría esperar. En su lugar, reemplaza los cepillos con tiras de metal anchas con puntas afiladas a lo largo de las tiras. A esos los llamamos peines. Y los peines no tocan los discos, sino que tienen un espacio entre los puntos y el disco. Ahora el aire entre los peines y el disco se vuelve conductor (como describo en el artículo anterior para los coleccionistas). Cargar desde cualquier lugar al lado de los peines ahora puede dejar el plástico e ir a las puntas afiladas de los peines.
    Pero el plástico no conductor también crea un problema para los coleccionistas. Los peines neutralizantes dieron como resultado una gran carga en el disco. Si tiene un conjunto estrecho de puntas afiladas para los recolectores, entonces recolectará solo un ancho de carga estrecho del disco. Con los sectores metálicos, este no sería el caso porque la carga se mueve sobre el metal, pero no sobre el plástico. Por lo que los colectores deben tener el mismo ancho que los peines de neutralización para recolectar toda la carga.
    El último número lo inicia. El enlace que le di dice que el suyo al menos no era autosuficiente. Necesita una fuente de carga para iniciarlo. Hacer estallar una carga en el disco contra uno de los peines neutralizantes. Supongo que es necesario, porque aunque puede tener una carga neta aleatoria en algún lugar del disco, no se propagará como lo haría en un sector de metal y, por lo tanto, probablemente no estaría en el lugar correcto para iniciarlo (supongo que de todos modos ).
    ¿Recuerdas si el tuyo era independiente? ¿O primero necesitas cargarlo de alguna manera?

    • Andrés M dice:

      Perdón por una respuesta tardía y gracias por tu rapidez, Steven.

      Solo examiné el mío. El sistema de recolección consta de muchas “cerdas” de cobre (colocadas en cepillos de madera) que entran en contacto con las superficies del disco y probablemente cubren el 60 - 70% del área. Quizás porque es más simple, también es menos eficiente o el tipo del sector del metal no sería más común.

      No hay un mecanismo de arranque visible (o algo que aparentemente falta, aparte de las correas) y mi memoria era que la manija se acababa de encender y, al poco tiempo, aparecería el voltaje. Creo que recuerdo a papá y luego a mí, que le ofreció una articulación del dedo al disco de la superficie para obtener una pequeña chispa. ¿Recordé esto incorrectamente?

      • Steven Dufresne dice:

        No sé qué tan bien empezarían por su cuenta. Como dije, solo he oído hablar de los no sectores y no he experimentado con ellos yo mismo, así que solo leí lo que leí. Y ahora leí (¡de usted!) Que algunos se inician por sí mismos. ¡Gracias! En teoría, no veo por qué no lo harían, es solo lo buenos que son en el mundo real de lo que no estaba seguro. Puedo ver que es más difícil comenzar por uno mismo que uno con sectores conductores.

• Dhruval Patel dice:

  ¿Existe alguna relación / fórmula matemática entre el número de rotaciones del disco, la capacitancia creada y el voltaje generado?

  • Elliot Williams dice:

    La respuesta debería ser “sí”, pero también dependerá de la geometría de los discos, su espaciamiento y quizás incluso algo de humedad del aire. Básicamente, sería una situación tentativa en lugar de algo que le gustaría proyectar.

    Pero son bastante fáciles de hacer. Pruébalo y verás.

    • Steven Dufresne dice:

      Sí, el papel al que vinculé no incluye la humedad, un factor importante, y tiene otra configuración, quizás para facilitar el modelado.

  • Steven Dufresne dice:

    No tengo fórmula por ahí. Una búsqueda rápida mostró este pdf http://www.rle.mit.edu/cehv/documents/5-Am.J.Phy.42-1974.pdf.

• Jim B dice:

  Compré uno de estos de Edmund Scientific en 1975. Creo que se vendió por alrededor de $ 25 en ese momento. Los discos giratorios tenían aproximadamente 10 pulgadas de diámetro. Produciría chispas de aproximadamente 1 pulgada de largo cada pocos segundos cuando se gira.

  Lo primero que hice mientras experimentaba con él fue operarlo sin los mini frascos de Leyden conectados, lo que aparentemente lo convirtió en una máquina de descarga de corona. En una habitación pequeña durante unos segundos se produciría un olor muy fuerte a ozono, que penetraba en el aire muy rápidamente.

  Luego construí un frasco de Leyden casero con un recipiente de plástico para jugo Tupperware. Era un modelo de un cuarto. Lo forré con papel de aluminio por dentro y por fuera, fijado con cinta escocesa. Hice un agujero en el centro de la cubierta de plástico a presión e inserté una varilla de metal a través de ella, que conecté a la hoja interior con alambre y más cinta adhesiva.

  Lo conecté a los dos colectores de la máquina a través de jerséis de cocodrilo: uno sujeto a la barra y el otro a la capa exterior.

  Me fui probablemente durante un minuto completo y al principio no pareció pasar nada, pero después de unos 30 segundos pude escuchar la hoja relativamente suelta envolviéndose como un crujido, como si se estuviera moviendo. (De hecho lo fue).

  La máquina venía con un descargador, que es una pieza semicircular de alambre con pequeñas bolas de metal en el extremo y un mango de plástico. Estaba destinado a ser utilizado para eliminar cualquier carga prolongada en el pequeño recipiente de Leyden de la máquina.

  Sostuve el descargador contra la hoja exterior de mi frasco de Leyden casero y giré el otro extremo hacia la barra central. Me llevé la sorpresa de mi vida ... Cuando el cable comenzó a acercarse a la varilla, se escuchó un breve silbido, una especie de chispa enorme y espesa, de unas buenas 4 pulgadas de largo, brilló a través de la brecha, con un CRACK extremadamente fuerte " ". ¡Estaba asustado por la santa orina! Fue mucho más largo de lo que esperaba y tengo suerte de no haber podido suicidarme.

• Deenadhayalan Munuswamy dice:

  determina cuántos voltios y amperios puede generar una máquina de Wimshurst