La Máquina de Wimshurst

Inventada por James Wimshurst, descrita por primera vez en 1883 y usada, entre otras aplicaciones, como fuente de alto voltaje para los primeros tubos de rayos X, se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de material aislante, paralelos, muy próximos

entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores metálicos, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º, comunican con el suelo y entre si por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la máquina de Ramsden. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos terminales provistos de mangos aislantes, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos conductores hay dos botellas de Leyden, que sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa.

La máquina de Wimshurst, fue inventada por James Wimshurst en Inglaterra, y fue descrita por primera vez en 1883. Estructuras similares, no sectoriales,(sin láminas metálicas adheridas) fueron descritas previamente por Holtz y Poggendorff en Alemania, alrededor de 1869 y por Musaeus en 1872.

Una máquina sectorizada descrita por Holtz en 1876, se hizo muy popular por su funcionamiento fiable y su construcción simple, aunque su eficacia era relativamente pobre.

En la máquina de Wimshurst, las hojas metálicas actúan como objeto cargado en parte del ciclo y como objetos de carga inducida en otra parte del ciclo.

Se observará, sin embargo, que el proceso de carga inductiva, requiere que exista con anterioridad un objeto cargado. Si admitimos que la máquina

arranca en su movimiento, con ausencia total de carga, ¿cómo se produce el fenómeno?.

El problema es similar al de la cuchilla de afeitar apoyada en equilibrio sobre su filo; en teoría, la cuchilla no debería caer al estar perfectamente equilibrada y no existir una dirección privilegiada de caída en el espacio. Sin embargo cae, debido simplemente a que es imposible equilibrar la cuchilla de forma perfecta. En el caso de la máquina de Wimshurst, el arranque y la construcción de carga, se producen simplemente porque en principio, la máquina no es perfectamente neutra.

Por supuesto, no es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos (la hoja de afeitar puede caer en cualquier dirección).Por esa razón, algunas máquinas de Wimshurst incorporan un trocito de piel, que ofrece un mínimo de carga en algún punto, de forma que la máquina arrancará con la misma polaridad cada vez.

Una vez la máquina arranca, hay cuatro funciones idénticas realizándose, dos en cada disco. En realidad, se trata de cuatro electrophori, dos positivos y dos negativos

El efecto de aproximación entre las secciones positivas y neutras de los discos en rotación, realiza el efecto de inducción del electrophorus, y los cepillos de carga de los brazos aislados, recogen la carga positiva para llevarla Las chispas brillantes requieren una corriente de gran intensidad. La corriente puede ser obtenida almacenando la carga extraída de los discos rotantes en botellas de Leyden.

El diseño clásico incluye dos botellas de Leyden con los terminales aislados de la máquina conectados a los terminales de entrada de carga de las botellas, existiendo interconexión entre los terminales exteriores de las mismas.

Arcos significantemente mayores, pueden obtenerse añadiendo unas pequeñas esferas a los terminales de la máquina, concretamente al terminal positivo. El efecto conseguido, consiste en la ampliación de la zona de ionización, lo que equivale a una ampliación de la zona de influencia del campo eléctrico.

En arcos cortos, el extremo positivo se presenta más brillante. En arcos largos, el extremo positivo, presenta un pequeño tramo recto, mientras que el negativo se presenta habitualmente fibrilado y de mayor brillo.El porqué de esta inversión del brillo, es algo que aún hoy en día representa un misterio

Un ingeniero ingles James Winshurt invento posteriormente un generador inductivo mucho mas elaborado y eficiente. Su generador utilizaba dos discos de vidrio los que giraban en sentidos opuestos y generando

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te.

ELECTROSTÁTICA:Parte de la física que estudia las cargas eléctricas en reposo, sus propiedades y las acciones mutuas (fuerzas) y los campos por ellas generados.¿Cómo se carga un cuerpo?Los cuerpos poseen en su interior los dos tipos de cargas; cuando el número de ambas es igual, se dice que el cuerpo es neutro o que no está cargado. Pero por diversos métodos, como por ejemplo la fricción, es posible que un cuerpo neutro gane o pierda cargas eléctricas; en este caso, se dice que el cuerpo está cargado.En el interior de un cuerpo, los electrones (de carga negativa) se pueden mover con mayor facilidad y por eso son los que generalmente entran en juego cuando un cuerpo se carga. Por lo tanto, cuando un cuerpo se carga negativamente por fricción es porque gana electrones. En cambio, si la fricción lo carga positivamente es porque los pierde en el proceso.

ELECTRIZACIÓN

POR FROTAMIENTO:Si una varilla de ebonita o una lapicera de plástico es frotada con un trozo de paño, adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos tales como pedacitos de papel o de corcho.Decimos que la varilla o la lapicera se han electrizado.También el vidrio se electriza por frotamiento, y se le asigna signo (-) a la carga de la ebonita y (+) a la del vidrio. (La elección de los signos + y – es totalmente arbitraria).Se comprueba experimentalmente que si una varilla de ebonita esta cargada eléctricamente, repele a otra similar también electrizada.Si ahora acercamos a la varilla de ebonita cargada, una de vidrio electrizada, veremos que ambas se atraen.Esto nos permite enunciar:PRINCIPIOS DE LA ELECTROSTÁTICA:1)PRINCIPIO DE INTERACCIÓN :Cargas eléctricas del mismo signo se rechazan y las de signo opuestos se atraen.2)PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELECTRICA: En un sistema aislado la carga total permanece constante.En todos los fenómenos eléctricos que se originan en el interior de un sistema aislado, se cumple esta ley de conservación, según la cual la suma de las cargas eléctricas positivas menos la de las cargas negativas se mantiene constante.Las cargas eléctricas en movimiento en un conductor constituyen una corriente eléctrica.CONDUCTORES Y AISLADORES:Vimos que podíamos electrizar por frotamiento una varilla de plástico o ebonita y una de vidrio. Si frotamos una varilla metálica no ocurre lo mismo. Pero si se frota una varilla de metal provista de un mango de vidrio o de plástico, (cuidando de tenerla sostenida de ese mango mientras se la frota), observaremos que se electriza.Esto nos demuestra que no todos los materiales se comportan de la misma manera frente al movimiento de las cargas eléctricas. Unas conducen las cargas eléctricas (conductores) y otros no (aisladores).En los materiales conductores, algunas cargas eléctricas se pueden mover con facilidad y rápidamente a través de ellos. Los mejores conductores son los metales (y sus aleaciones) y el grafito. (El cuerpo humano es conductor de la electricidad).En cambio, en los aislantes o dieléctricos, la carga no puede moverse o tarda mucho en transmitirse de un punto a otro del cuerpo. Los plásticos, el vidrio, el ámbar, las resinas, la madera, el aire, son ejemplos de buenos aislantes o malos conductores.La estructura interna de los materiales determina su comportamiento respecto de la transmisión de la carga. Los átomos que forman los conductores tienen sus capas más externas muy incompletas, con electrones que se pueden desprender muy fácilmente de los átomos y moverse a través del material. En los átomos de los aislantes, las capas electrónicas están casi completas y por lo tanto no tienen electrones libres que conduzcan la carga eléctrica.

Según la cantidad de electrones libres en la última capa, un conductor será mejor que otro; por ejemplo, la plata es mejor conductor que el cobre, y este que el cinc, aunque los tres sean metales. Algunos materiales son mejores aislantes que otros, pero todos los aislantes lo son hasta cierto límite. Si las cargas del material se someten a una fuerza eléctrica externa muy grande, existe un valor de dicha fuerza llamada rigidez dieléctrica o potencial de rotura, a partir del cual el material empieza a conducir.+++Si se conecta un cuerpo conductor electrizado a Tierra mediante un elemento conductor, el cuerpo se descarga:El conductor se encuentra electrizado positivamente. Alconectarlo a Tierra se descarga pues, electrones( - )provenientes ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO:Si una varilla de ebonita o una lapicera de plástico es frotada con un trozo de paño, adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos tales como pedacitos de papel o de corcho.Prof. Ana Rivas 2Colegio “La Anunciata” UNIDAD 1Decimos que la varilla o la lapicera se han electrizado.También el vidrio se electriza por frotamiento, y se le asigna signo (-) a la carga de la ebonita y (+) a la del vidrio. (La elección de los signos + y – es totalmente arbitraria).Se comprueba experimentalmente que si una varilla de ebonita esta cargada eléctricamente, repele a otra similar también electrizada.Si ahora acercamos a la varilla de ebonita cargada, una de vidrio electrizada, veremos que ambas se atraen.Esto nos permite enunciar:PRINCIPIOS DE LA ELECTROSTÁTICA:1)PRINCIPIO DE INTERACCIÓN :Cargas eléctricas del mismo signo se rechazan y las de signo opuestos se atraen.2)PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELECTRICA: En un sistema aislado la carga total permanece constante.En todos los fenómenos eléctricos que se originan en el interior de un sistema aislado, se cumple esta ley de conservación, según la cual la suma de las cargas eléctricas positivas menos la de las cargas negativas se mantiene constante.Las cargas eléctricas en movimiento en un conductor constituyen una corriente eléctrica.CONDUCTORES Y AISLADORES:Vimos que podíamos electrizar por frotamiento una varilla de plástico o ebonita y una de vidrio. Si frotamos una varilla metálica no ocurre lo mismo. Pero si se frota una varilla de metal provista de un mango de vidrio o de plástico, (cuidando de tenerla sostenida de ese mango mientras se la frota), observaremos que se electriza.Esto nos demuestra que no todos los materiales se comportan de la misma manera frente al movimiento de las cargas eléctricas. Unas conducen las cargas eléctricas (conductores) y otros no (aisladores).

En los materiales conductores, algunas cargas eléctricas se pueden mover con facilidad y rápidamente a través de ellos. Los mejores conductores son los metales (y sus aleaciones) y el grafito. (El cuerpo humano es conductor de la electricidad).En cambio, en los aislantes o dieléctricos, la carga no puede moverse o tarda mucho en transmitirse de un punto a otro del cuerpo. Los plásticos, el vidrio, el ámbar, las resinas, la madera, el aire, son ejemplos de buenos aislantes o malos conductores.La estructura interna de los materiales determina su comportamiento respecto de la transmisión de la carga. Los átomos que forman los conductores tienen sus capas más externas muy incompletas, con electrones que se pueden desprender muy fácilmente de los átomos y moverse a través del material. En los átomos de los aislantes, las capas electrónicas están casi completas y por lo tanto no tienen electrones libres que conduzcan la carga eléctrica.Según la cantidad de electrones libres en la última capa, un conductor será mejor que otro; por ejemplo, la plata es mejor conductor que el cobre, y este que el cinc, aunque los tres sean metales. Algunos materiales son mejores aislantes que otros, pero todos los aislantes lo son hasta cierto límite. Si las cargas del material se someten a una fuerza eléctrica externa muy grande, existe un valor de dicha fuerza llamada rigidez dieléctrica o potencial de rotura, a partir del cual el material empieza a conducir.+++

El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de cargas eléctricas. El instrumento como tal lo utilizó por primera vez el físico y químico británico Michael Faraday.El electroscopio está compuesto por dos láminas de metal muy finas colgadas de un soporte metálico en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor . Una esfera recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a través del soporte metálico y llegan a ambas láminas entonces las hojas también se cargan con electricidad del mismo signo. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se separan. La distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.ELECTRIZACIÓN DE UN CUERPO:La electrización de un cuerpo inicialmente neutro puede ocurrir: por frotamiento ( como explicamos anteriormente), por contacto (como en el electroscopio.) y por inducción electrostática.Contacto:Si se coloca en contacto un cuerpo cargado A con otro neutro, éste se carga con electricidad del mismo signo que el primero.

Decimos que A y B se han cargado por inducción. Explicamos el fenómeno admitiendo que al acercar C a las esferas A y B, se reordenan las cargas de ellas: las negativas se acercan a C y las positivas se alejan de él. Es decir, que no se han creado cargas, sino que se han reubicado las ya existentes.

Este fenómeno permite obtener cargas de determinado signo almacenadas en un conductor. Para ello podemos proceder de la siguiente forma: supongamos un cuerpo A aislado y con cargas neutras ( igual cantidad de cargas positivas y negativas).

ObservaciónPor inducción se provoca carga opuesta al cuerpo que la induce y por contacto se obtiene la misma carga en ambos cuerpos.