Generador electrostáticoEsta página o sección está siendo traducida del idioma inglés a partir del artículo Electrostatic generator, razón por la cual puede haber lagunas de contenidos, errores sintácticos o escritos sin traducir.Puedes colaborar con Wikipedia continuando con la traducción desde el artículo original.

Un generador electrostático, o máquina electrostática, es un dispositivo mecánico que produce electricidad estática, o electricidad a alta tensión y corriente continua baja. El conocimiento de la electricidad estática se remonta a las primeras civilizaciones, pero durante miles de años se mantuvo meramente como un fenómeno interesante y desconcertante, sin una teoría para explicar su comportamiento, y a menudo confundido con el magnetismo. A finales del siglo XVII , los investigadores habían desarrollado los medios prácticos para la generación de electricidad por fricción, pero el desarrollo de máquinas electrostáticas no comenzó en serio hasta el siglo XVIII, cuando se convirtieron en instrumentos fundamentales en los estudios acerca de la nueva ciencia de la electricidad. Los generadores electrostáticos funcionan mediante el uso de energía manual (u otra) para transformar trabajo mecánico en energía eléctrica. Estos dispositivos provocan la acumulación cargas electrostáticas de signos opuestos en ambos conductores, usando solamente fuerzas eléctricas y trabajan en base a placas en movimiento, tambores o cintas para así llevar carga eléctrica a un electrodo de mayor potencial. La carga es generada por uno de dos métodos: o bien el efecto triboeléctrico (fricción) o la inducción electrostática.

Un generador Van de Graaff, para demostraciones de aula

Índice

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1 Descripción

o 1.1 Máquinas de fricción

1.1.1 Historia

1.1.2 Operación fricción

o 1.2 Influence machines

1.2.1 History

o 1.3 Modern electrostatic generators

2 Ciencia marginal y otros dispositivos

3 Véase también

4 Referencias

5 Further reading

6 Enlaces externos

Descripción[editar]

Las máquinas electrostáticas se utilizan normalmente en las clases de ciencia para demostrar de forma segura las fuerzas eléctricas y fenómenos de alto voltaje. Las altas tensiones obtenidos han sido también utilizadas para una variedad de aplicaciones prácticas, tales como tubos de rayos X operativos, aplicaciones médicas, la esterilización de alimentos y experimentos de física nuclear. Generadores electrostáticos como el Generador de Van de Graaff, y sus variaciones como el Pelletron, también se usan para investigaciones físicas.

Los generadores electrostáticos se pueden dividir en dos categorías dependiendo de cómo se genera la carga:

Máquinas de fricción: utilizan el efecto triboeléctrico (electricidad generada por el contacto

o fricción)

Máquinas de influencia: utilizan el fenómeno de la inducción electrostática

Máquinas de fricción[editar]

Historia[editar]

Typical friction machine using a glass globe, common in the 18th century

Martinus van Marum's Electrostatic generator at Teylers Museum

Los primeros generadores electrostáticos son llamados máquinas de fricción debido que emplean la fricción como base en el proceso de generación. Una forma primitiva de la máquina de fricción fue inventada alrededor de 1663 por Otto von Guericke, usando un globo de azufre que se podía girar y frotar con la mano. Es posible que en realidad no haya sido esta su finalidad, pero pudo haber inspirado a muchas máquinas posteriores que utilizaron globos giratorios. Isaac Newton sugiere el uso de un globo de cristal en vez de uno de azufre . Un avance se dió cuando el profesor Georg Matthias Bose de Wittenberg agregó un conductor colector (un tubo aislado o cilindro soportados en cuerdas de seda). Boze fue el primero en emplear el "conductor primario" en este tipo de máquinas, esto consiste en una barra de hierro en la mano de una persona cuyo cuerpo fue aislado de pie sobre un bloque de resina. In 1746, Watson's machine had a large wheel turning several glass globes with a sword and a gun barrel suspended from silk cords for its prime conductors. J. H. Winkler, professor of physics

at Leipzig, substituted a leather cushion for the hand. Andreas Gordon of Erfurt, a Scottish Benedictine monk, used a glass cylinder in place of a sphere. Jesse Ramsden, in 1768, constructed a widely used version of a plate electrical generator. By 1784, the van Marum machine could produce voltage with either polarity. Martin van Marum constructed a large electrostatic machine of high quality for his experiments (currently on display at the Teylers Museum in the Netherlands).

Ingenhousz, during 1746, invented electric machines made of plate glass.1 Experiments with the electric machine were largely aided by the discovery of the property of a glass plate, when coated on both sides with tinfoil, of accumulating a charge of electricity when connected with a source of electromotive force. The electric machine was soon further improved by Andrew Gordon, a Scotsman, Professor at Erfurt, who substituted a glass cylinder in place of a glass globe; and by Giessing of Leipzig who added a "rubber" consisting of a cushion of woollen material. The collector, consisting of a series of metal points, was added to the machine by Benjamin Wilson about 1746, and in 1762, John Canton of England (also the inventor of the first pith-ball electroscope) improved the efficiency of electric machines by sprinkling an amalgam of tin over the surface of the rubber.2

In 1785, N. Rouland constructed a silk belted machine which rubbed two grounded hare fur covered tubes. Edward Nairne developed an electrostatic generator for medical purposes in 1787 which had the ability to generate either positive or negative electricity, the first named being collected from the prime conductor carrying the collecting points and the second from another prime conductor carrying the friction pad. The Winter machine possessed higher efficiency than earlier friction machines. In the 1830s, Georg Ohm possessed a machine similar to the van Marum machine for his research (which is now at the Deutsches Museum, Munich, Germany). In 1840, the Woodward machine was developed from improving the Ramsden machine (placing the prime conductor above the disk(s)). Also in 1840, the Armstrong hydroelectric machine was developed and used steam as a charge carrier.

Operación fricción[editar]

La presencia de [ carga superficial [ ] ] desequilibrio significa que los objetos exhibirán fuerzas atractivas o repulsivas . Este desequilibrio de carga superficial , lo que conduce a la electricidad estática , puede ser generada por el contacto de dos superficies diferentes juntos y luego separarlos debido a los fenómenos de la [ electrificación [contacto ] ] y [ [ efecto triboeléctrico ] ] . Frotar dos objetos no conductores genera una gran cantidad de electricidad estática. Esto no es sólo el resultado de la fricción; dos superficies no conductoras pueden ser cargados por sólo ser colocados uno encima del otro . Como la mayoría de las superficies tienen una textura áspera , se necesita más tiempo para lograr la carga a través de contactos que a través de la fricción. Frotar objetos al mismo tiempo aumenta la cantidad de adhesivo de contacto entre las dos superficies . Por lo general, [ [ Aislante (electricidad) | aisladores ] ] , por ejemplo , sustancias que no conducen la electricidad , son buenos en tanto la generación, y la celebración , una carga superficial . Son algunos ejemplos de estas sustancias [ [ goma ] ], [ [ plástico ] ], [ [ vidrio ] ] y [ [ medula ] ] . [ [conductor (material) | conductiva ] ] objetos en contacto generan desequilibrio de carga también, pero conservan los cargos sólo si aislante. La carga que se transfiere durante el contacto de electrificación se almacena en la superficie de cada objeto . Tenga en cuenta que la presencia de [ [ corriente eléctrica ] ] no desvirtúa las fuerzas electrostáticas , ni de las chispas , de la [ [ descarga de corona ] ] , u otros fenómenos . Ambos fenómenos pueden existir simultáneamente en el mismo sistema .

Influence machines[editar]

History[editar]

Frictional machines were, in time, gradually superseded by the second class of instrument mentioned above, namely, influence machines. These operate by electrostatic inductionand convert mechanical work into electrostatic energy by the aid of a small initial charge which is

continually being replenished and reinforced. The first suggestion of an influence machine appears to have grown out of the invention of Volta's electrophorus. The electrophorus is a single-plate capacitor used to produce imbalances of electric charge via the process of electrostatic induction. The next step was when Abraham Bennet, the inventor of the gold leaf electroscope, described a "doubler of electricity" (Phil. Trans., 1787), as a device similar to the electrophorus, but that could amplify a small charge by means of repeated manual operations with three insulated plates, in order to make it observable in an electroscope. Erasmus Darwin, W. Wilson, G. C. Bohnenberger, and (later, 1841) J. C. E. Péclet developed various modifications of Bennet's device. In 1788, William Nicholsonproposed his rotating doubler, which can be considered as the first rotating influence machine. His instrument was described as "an instrument which by turning a winch produces the two states of electricity without friction or communication with the earth". (Phil. Trans., 1788, p. 403) Nicholson later described a "spinning condenser" apparatus, as a better instrument for measurements.

Others, including T. Cavallo (who developed the "Cavallo multiplier", a charge multiplier using simple addition, in 1795), John Read, Charles Bernard Desormes, and Jean Nicolas Pierre Hachette, developed further various forms of rotating doublers. In 1798, The German scientist and preacher Gottlieb Christoph Bohnenberger, described the Bohnenberger machine, along with several other doublers of Bennet and Nicholson types in a book. The most interesting of these were described in the "Annalen der Physik" (1801). Giuseppe Belli, in 1831, developed a simple symmetrical doubler which consisted of two curved metal plates between which revolved a pair of plates carried on an insulating stem. It was the first symmetrical influence machine, with identical structures for both terminals. This apparatus was reinvented several times, by C.   F. Varley , that patented a high power version in 1860, by Lord Kelvin (the "replenisher") 1868, and by A. D. Moore (the "dirod"), more recently. Lord Kelvin also devised a combined influence machine and electromagnetic machine, commonly called a mouse mill, for electrifying the ink in connection with his siphon recorder, and a water-drop electrostatic generator (1867), which he called the "water-dropping condenser".

Holtz's influence machine

Between 1864 and 1880, W. T. B. Holtz constructed and described a large number of influence machines which were considered the most advanced developments of the time. In one form, the Holtz machine consisted of a glass disk mounted on a horizontal axis which could be made to rotate at a considerable speed by a multiplying gear, interacting with induction plates mounted in a fixed disk close to it. In 1865, August J. I. Toepler developed an influence machine that consisted of two disks fixed on the same shaft and rotating in the same direction. In 1868, the Schwedoff machine had a curious structure to increase the output current. Also in 1868, several mixed friction-influence machine were developed, including the Kundt machineand the Carré machine. In 1866, the Piche machine (or Bertsch machine) was developed. In 1869, H. Julius Smith received the American patent for a portable and airtight device that was designed to ignite powder. Also in 1869, sectorless machines in Germany were investigated by Poggendorff.

The action and efficiency of influence machines were further investigated by F. Rossetti, A. Righi, and F. W. G. Kohlrausch. E. E. N. Mascart, A. Roiti, and E. Bouchotte also examined the efficiency and current producing power of influence machines. In 1871, sectorless machines were investigated by Musaeus. In 1872, Righi's electrometer was developed and was one of the first antecedents of the Van de Graaff generator. In 1873, Leyser developed the Leyser machine, a variation of the Holtz machine. In 1880, Robert Voss (a Berlin instrument maker) devised a form of machine in which he claimed that the principles of Toepler and Holtz were combined. The same structure become also known as the Toepler-Holtz machine. In 1878, the British inventor James Wimshurst started his studies about electrostatic generators, improving the Holtz machine, in a powerful version with multiple disks. The classical Wimshurst machine, that become the most popular form of influence machine, was reported to the scientific community by 1883, although previous machines with very similar structures were previously described by Holtz and Musaeus. In 1885, one of the largest-ever Wimshurst machines was built in England (it is now at the Chicago Museum of Science and Industry). In 1887, Weinhold modified the Leyser machine with a system of vertical metal bar inductors with wooden cylinders close to the disk for avoiding polarity reversals. M. L. Lebiez described the Lebiez machine, that was essentially a simplified Voss machine (L'Électricien, April 1895, pp. 225–227). In 1894, Bonetti3 designed a machine with the structure of the Wimshurst machine, but without metal sectors in the disks. This machine is significantly more powerful than the sectored version, but it must usually be started with an externally-applied charge.

In 1898, the Pidgeon machine was developed with a unique setup by W. R. Pidgeon. On October 28 that year, Pidgeon presented this machine to the Physical Society after several years of investigation into influence machines (beginning at the start of the decade). The device was later reported in the Philosophical Magazine (December 1898, pg. 564) and the Electrical Review (Vol. XLV, pg. 748). A Pidgeon machine possesses fixed inductors arranged in a manner that increases the electrical induction effect (and its electrical output is at least double that of typical machines of this type [except when it is overtaxed]). The essential features of the Pidgeon machine are, one, the combination of the rotating support and the fixed support for inducing charge, and, two, the improved insulation of all parts of the machine (but more especially of the generator's carriers). Pidgeon machines are a combination of a Wimshurst Machine and Voss Machine, with special features adapted to reduce the amount of charge leakage. Pidgeon machines excite themselves more readily than the best of these types of machines. In addition, Pidgeon investigated higher current "triplex" section machines (or "double machines with a single central disk") with enclosed sectors (and went on to receive British Patent 22517 (1899) for this type of machine).

Multiple disk machines and "triplex" electrostatic machines (generators with three disks) were also developed extensively around the turn of the 20th century. In 1900, F. Tudsburydiscovered that enclosing a generator in a metallic chamber containing compressed air, or better, carbon dioxide, the insulating properties of compressed gases enabled a greatly improved effect to be obtained owing to the increase in the breakdown voltage of the compressed gas, and reduction of the leakage across the plates and insulating supports. In 1903, Alfred Wehrsen patented an ebonite rotating disk possessing embedded sectors with button contacts at the disk surface. In 1907, Heinrich Wommelsdorf reported a variation of the Holtz machine using this disk and inductors embedded in celluloid plates (DE154175; "Wehrsen machine"). Wommelsdorf also developed several high-performance electrostatic generators, of which the best known were his "Condenser machines" (1920). These were single disk machines, using disks with embedded sectors that were accessed at the edges.

Modern electrostatic generators[editar]Archivo:Electrostaticgenerator.JPG

An example of a common modern device using high voltage (a "plasma globe", that does not use static

electricity)

Electrostatic generators had a fundamental role in the investigations about the structure of matter, starting at the end of the 19th century. By the 1920s, it was evident that machines able to produce greater voltage were needed. The Van de Graaff generator was developed, starting in 1929, at MIT. The first model was demonstrated in October 1929. The basic idea was to use an insulating belt to transport electric charge to the interior of an insulated hollow terminal, where it could be discharged regardless of the potential already present on the terminal, that does not produce any electric field in its interior. The idea was not new, but the implementation using an electric power supply to charge the belt was a fundamental innovation that made the old machines obsolete. The first machine used a silk ribbon bought at a five and dime store as the charge transport belt. In 1931 a version able to produce 1,000,000 volts was described in a patent disclosure. Nikola Tesla wrote a Scientific American article, "Possibilities of Electro-Static Generators" in 1934 concerning the Van de Graaff generator (pp. 132–134 and 163-165). Tesla stated, "I believe that when new types [of Van de Graaff generators] are developed and sufficiently improved a great future will be assured to them". High-power machines were soon developed, working on pressurized containers to allow greater charge concentration on the surfaces without ionization. Variations of the Van de Graaff generator were also developed for Physics research, as the Pelletron, that uses a chain with alternating insulating and conducting links for charge transport. Simplified Van de Graaff generators are commonly seen in demonstrations about static electricity, due to its high-voltage capability, producing the curious effect of making the hair of people touching the terminal, standing over an insulating support, stand up.

Between 1945 and 1960, the French researcher Noël Felici developed a series of high-power electrostatic generators, based on electric excitation and using cylinders rotating at high speed and hydrogen in pressurized containers.

Ciencia marginal y otros dispositivos[editar]

Estos generadores han sido utilizados generalmente de forma inapropiada y de forma controversial, para respaldar diversas investigaciones de ciencia marginal. En 1911,George Samuel Piggott recibió una patente para una máquina doble encerrada dentro de un recubrimiento presurizado para desarrollar sus experimentos de radiotelegrafía y "antigravedad". Mucho después (en la década de 1960) el ingeniero alemán Paul Suisse Bauman, patrocinado por una comunidad suiza —los meternitanos— construyó una una máquina conocida como "Testatika". Este es un generador electromagnético basado en la máquina electrostática de Pidgeon, que decía producir energía libre directamente desde el medio.

Véase también[editar]

Motor electrostático

Electrómetro

Electreto

Electricidad estática

Referencias[editar]

1. Volver arriba↑ Consult Dr. Carpue's 'Introduction to Electricity and Galvanism,' London

1803.

2. Volver arriba↑ Maver, William Jr.: "Electricity, its History and Progress", The Encyclopedia

Americana; a library of universal knowledge, vol. X, pp. 172ff. (1918). New York:

Encyclopedia Americana Corp.

3. Volver arriba↑ http://www.coe.ufrj.br/~acmq/bonetti.html Instructions for building a Bonetti

machine

Máquina de Wimshurst

Máquina de Wimshurst.

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst  (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Descripción[editar]

Estas máquinas que pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática.En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler(1865), y J. Robert Voss (1880). Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa.

La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánicapara tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente unacorriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determina la salida de voltaje maxima que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperes.

Referencias[editar]

Aparicio Arturo, Coronado Marlio. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE

WIMSHURST PARA LA ENSEÑANZA DE LA ELECTROSTÁTICA. Revista colombiana de

Física VOL. 36, Nº 2. 2004. pp. 430. "[1]".

Hans-Peter Mathematick Technick Algorithmick Linguistick Omnium Gatherum. "Historia

de la electrostática Generadores".

De Queiroz, Antonio Carlos M., "La Máquina electrostática Wimshurst"

Weisstein, Eric W., "Wimshurst Máquina ".

Jacques Charrier "La máquina de Wimshurst ". Faculté des Sciences de Nantes.

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Una Jaula de Faraday en el Deutsches Museum.

El conocido como jaula de Faraday es un efecto provocado en el que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, de paso anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnéticoexterno, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido alcampo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Entrada a una habitación de Faraday.

Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. Una manera de comprobarlo es con una radio sintonizada en una emisora de Onda Media. Al rodearla con un periódico, el sonido se escucha correctamente. Sin embargo, si se sustituye el periódico con un papel de aluminio la radio deja de emitir sonidos: el aluminio es un conductor eléctrico y provoca el efecto jaula de Faraday.

Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en aviones o en la protección de equipos electrónicos delicados, tales como repetidores de radio, discos duros y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas

Índice

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1 Funcionamiento

2 Demostración teórica

3 Método casero para crear una Jaula de Faraday

4 Soluciones con este método

5 Enlaces externos

Funcionamiento[editar]

El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico

externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva).

 

Demostración teórica[editar]

Supongamos el conductor sin equilibrio electrostático. Suponiendo que la carga en el interior del conductor es nula, el potencial V en el interior del conductor cumple la ecuación de Laplace, siendo R la región ocupada por el interior del conductor:

Dado que el conductor está en equilibrio en su superficie no hay corrientes, de modo que el potencial en su superficie es constante:

En virtud del teorema de unicidad del potencial el potencial que cumple tales condiciones es único y puede verse que la solución es trivialmente:

El campo eléctrico en el interior vendrá dado por el gradiente del potencial:

De modo que el campo eléctrico en el interior del conductor es nulo. Es una consecuencia de la ley de Gauss, que dice que en el interior de un conductor hueco, el campo es nulo.

Método casero para crear una Jaula de Faraday[editar]

Utilizar un mosquitero de alambre y elaborar un estilo de caja con ella. Luego colocar dentro de ella el objeto que haga interferencia.

Soluciones con este método[editar]

Evitar el ruido molesto de las interferencias entre el teléfono móvil y su

altavoz.

Dejar sin señal: (teléfonos móviles, módems, etc.)

Evitar interferencias entre altavoces y una frecuencia de radio.

Enlaces externos[editar]

Faraday Cage Protects from 100,000 V   :: Physikshow Uni Bonn  (vídeo)

Ejemplo del fenómeno en un avión alcanzado por un rayo en Osaka  (gif

animado)Categorías: 

Efectos electromagnéticos