REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 36, No. 2. 2004

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE WIMSHURST PARA LA ENSEÑANZA DE LA ELECTROSTÁTICA

J. –C. Arias-Cañón, J. –M. Coronado, A. Aparicio♦, J. –M. Flórez2.

Departamento de Física-Universidad Distrital Francisco José de Caldas

RESUMEN

Presentamos los pr incipios básicos de funcionamiento de una máquina de Wimshurst. Así como una reseña sobre la construcción y diseño de una de estas máquinas para el museo interactivo del Grupo de Instrumentación Científica & Didáctica de la Universidad Distrital, con el fin de ilustrar algunos conceptos sobre el avance y desarrollo de la electrostática.

ABSTRACT

We present the basic principles of operation of a machine of Wimshurst. As well as a review on the construction and design of one of these machines for the interactive museum of the Group of Scientific Instrumentation & Didactics of the University Distrital, with the purpose of illus-trating some concepts on the advance and development of the electrostatics.

INTRODUCCION Esta maquina fue desarrollada por ingeniero ingles James Wimshurst en 1883, y es conside-rada el punto culminante del desarrollo de maquinas de influencia entre las que encontramos Toepler, Holtz (1865) y Voss (1880). Las ventajas que cuenta la maquina de Wimshurst con respecto a sus antecesoras es su confiabilidad, fácil manejo y la gran tensión eléctrica que puede producir, en el orden de los kV. Por ello fue seleccionada para formar parte del museo interactivo de ciencia. La maquina que construimos tiene un diseño que es una varia-ción de las construidas por los profesores Antônio Carlos M. de Queiroz [1] y François BOSSERT [2], los cambios hechos tienen como objetivo hacerla mas económica y fácil de ensamblar.

FUNCIONAMIENTO EN FORMA CUALITATIVA La maquina consta de dos discos en acrílico (ó cualquier material dieléctrico) que giran en sentido contrario con un eje común, en su superficie y de forma opuesta tienen adheridas unas laminillas de aluminio (a), éstas colocadas en forma radial. La separación de los dis-cos no sobrepasa el medio centímetro. La carga se genera cuando las laminillas entran en contacto con unos peines de cobre que se encuentran sujetos a los extremos de una barra aislada de aluminio F, ahí una de las laminillas pierde electrones y estos viajan al otro extre-mo de la barra donde la laminilla opuesta los gana, así una laminilla tendrá carga positiva y la otra negativa. Los discos al girar hacen que estas laminillas cargadas se alineen con otro par de laminillas del disco opuesto que también están en contacto con unos peines y estos a otra barra aislada F`. Ahí las laminillas cargadas inducen cargas opuestas en las laminillas

♦ E-mail: aparicioae@hotmail.com

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del otro disco, esto es conocido como el electróforo de Volta. (Fig. 1, 2A y 2B). A cada lado de los discos tenemos un colector de carga m, n en forma de U, debido al diseño a cada co-lector le corresponde un tipo de carga. Estos colectores están conectados a dos botellas de Leyden L y L`, estos condensadores tienen un punto común o tierra, que en nuestro caso es un alambre de cobre que esta debajo de la base de la maquina. La maquina es accionada por un sencillo sistema de poleas R, R` y una manivela K. Usualmente las maquinas de Wims-hurst tienen unas barras terminadas en esferas A, B que son solidarias a los colectores para apreciar el efecto corona. Nos pareció útil que nuestra maquina se pudieran intercambiar diferentes puntas a estas barras.

A)

B)

FIG. 2A. 2B.

Esquema del funcionamiento de la maquina de Wimshurst, Esquema de la inducción de cargas

Q a

F

Q mQ n

F` Q a

F`

DISEÑO Y CONTRUCION DE LA MAQUINA A continuación presentaremos, las partes mas relevantes del diseño y construcción de la maquina. Para alcanzar una calidad que nos permitiera usarla en las exposiciones del museo se hizo necesaria la utilización de un torno y taladro de árbol. Aparentemente esto limita la posibilidad de reproducir esta maquina, pero las ventajas que ofrece esta fabricación lo com-pensan con creses. Discos: Los discos son de 30 cm. de diámetro y 0.5 cm. de espesor. En el centro tenemos un agujero circular de 1.5 cm. de diámetro. Cada disco tiene adheridos 24 laminillas de aluminio, separadas una de otra por un ángulo de 15º (Fig. 3A). Así se garantiza que en el espacio entre laminillas se podría colocar otra, punto importante para mejorar la inducción de cargas. Las laminillas son de 5.0 cm. de largo con los bordes redondeados (Fig. 3B).

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Poleas: Del sistema de poleas, para destacar están las piezas que sostienen a los discos. Son unos cilindros con un diámetro de 3.1 cm., hechas en aluminio. En la parte fron-tal se les incrusta un rodamiento para mejorar su funcionamiento y para asegurar los discos tenemos un roscado en la parte posterior para un tornillo hueco (Fig. 3C). La polea inferior es un disco de 7.0 cm. de diámetro (Fig. 3D). Colectores de carga: Son alambres de cobre Cal. 10 doblados en U, de tal manera que las puntas tiene una distancia de 4 cm. Se perforaron unos agujeros de 0.1 cm. para que en ellos se pudieran incrustar puntas metálicas (puntillas de acero limadas), a cada lado se colocaron cinco puntas, separadas entre si por 0.5 cm. (Fig. 3F). Los colectores están unidos a la maquina por una barra de acrílico de 28 cm. de largo, que permite que pase por su centro el eje (Fig. 3G), a los extremos encontramos unos bases de acero para los colectores (Fig. 3E) y las barras terminadas en esferas (Fig. 3K). También de allí bajan unas barras para co-nectar las botellas de Leyden. Peines: Se hace una trenza con alambre delgado de cobre (Usual en cualquier apara-to eléctrico) de no más de 3 cm. de larga. Esta es sujetada por un tornillo y un buje a la barra aislada (Fig. 3I), esta barra es de Aluminio de 27 cm. de larga, 2.4 cm. de ancha y 0.4 cm. de espesor, sus bordes están contorneados para evitar cualquier punta y en el centro tiene un agujero de 1.1 cm. de diámetro, en este para dejar aislada eléctricamente la barra del resto de la maquina se ponen unos bujes de plástico que reducen el diámetro a 5/16 Pulg. Se pueden sustituir estos bujes por cualquier otro material dieléctrico, como la cinta de teflón. (Fig. 3H). Eje: A excepción de las botellas de Leyden, todo lo demás se soporta en el eje, esté es de acero de 25 cm. de largo en la mitad tenemos un cilindro de 3.0 cm. de largo 0.94 cm. y de ancho, en la mitad de este es un poco mas ancho para garantizar que los discos no se frenen entre si. (Fig. 3J). El resto del eje tiene un roscado de 5/16 Pulg. , se necesitan cuatro tuercas para asegurar la maquina, que se pueden conseguir en cualquier ferretería. Base: Es de madera su superficie es de 45x21cm., tiene una altura de 24cm. (Fig. 3L). EXPERIENCIAS Fuera de la descarga de corona que se puede apreciar entre las barras terminadas en esferas, se puede utilizar la maquina de Wimshurst para generar líneas de campo eléctrico y visuali-zar los conceptos relacionados con estas. En la figura 4, se utilizo una cubeta de ondas, se lleno con aceite de ricino y sémola de trigo. Haciendo posible apreciar las líneas de campo eléctrico. En la fotografía podemos ver la acumulación de sémola en el ánodo y cátodo, así como un bosquejo de cómo se están formando las líneas. Se aclara que el esquema de la maquina no esta a escala, solo se presenta para dar una idea de cómo se construyo la maqui-na.

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1.8 cm

5.0 cm

1.3 cm

R= 15 cm

R 10 cm=

1.4 cm

5.0 cm

3/8 pulg.3/16 pulg. 1/4 pulg.

0.9 cm

Tornillo de ajuste3.

1 cm

2.2

cm

1.8 cm

1.2 cm

0.3 cm

1.9 cm

0.5 cm

1.3 cm

0.94

cm

7.0 cm

2.0 cm1/4 pulg.

0.74 cm

3.7 c

m 1.0 cm

0.5 cm

7.0 cm

A. Discos B. Laminillas C. Polea y tornillo de ajuste de los discos, en la polea se incrusta un rodamiento CZECH 608ZR

31 cm

2.4 cm

2.0 cm

5/16 pulgadas 3/8 pulgada

FIG. 3 ESQUEMA DEL DISEÑO DE LA MAQUINA DE WIMSHURST

27 cm

2.4 cm

2.0 cm

1.1 cm 3/16 pulg.

3/16

pul

g.

1.1

cm

1.6 cm

Tre

nza

de c

obre

24.0 cm

0.94 cm

3.0 cm

3.0 cm 2.0 cm

5/16 pulg

D. Polea inferior

E. Base de los colectores de carga F. Colectores de carga

G. Barra de acrílico que sostiene los colectores

H. Barra de aluminio, donde se conectan los peines.

J. Eje principal

K. Barra de descarga

I. Esquema de los peines generadores de carga

L. Base de Madera

24.0

cm

21.0

cm

6.0 cm

30.0 cm

45.0 cm

Fig. 4 Generación de lineas de campo usando la maquina

CONCLUSIONES La construcción y explicación del funcionamiento de la maquina de Wimshurst pone de manifiesto conceptos básicos de la electrostática como la existencia de la carga eléctrica, la repulsión entre cargas del mismo genero y atracción de las opuestas. Polarización de los dieléctricos, (en los discos, para poder inducir cargas). La presentación de esta maquina cautiva al público ya que pone en manifiesto que la electricidad es una propiedad de la mate-ria y no un producto que llega a nuestras casas por medio de cables, esto muy usual en estu-diantes de bachillerato.

AGRADECIMIENTOS: Debemos dar mención de la colaboración prestada por parte del Técnico Fabio Roa por la ayuda en el torno para la construcción de las diferentes piezas. REFERENCIAS [1] http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html [2] François BOSSERT, Machine de Wimshurst, Publicado en BULLETIN DE L'UNION

DES PHYSICIENS No 696, julio, agosto, septiembre 1987, Pág. 881 [3] http://www.sciences.univnantes.fr/physique/enseignement/tp/wimshurst/wimshurst.html [4] J.R. Reitz, F.J. Milford, Fundamentos de la teoría electromagnética, Fondo Educativo

Interamericano, México, 1984.