Máquina de Wimshurst

La máquina de Wimshurst o máquina de influencia de Wimshurst es un generador electrostático capaz de generar altos voltajes . Fue desarrollada entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832-1903). ^{[ 1 ]}

Presenta un aspecto distintivo, con dos grandes discos que giran en sentido contrario montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con escobillas metálicas y un espacio para chispas formado por dos esferas metálicas.

Estas máquinas pertenecen a una clase de generadores electrostáticos llamados máquinas de influencia , que separan cargas eléctricas mediante inducción electrostática , o influencia , sin depender de la fricción para su funcionamiento. Las primeras máquinas de esta clase fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), August Toepler (1865), J.  Robert Voss (1880) y otros. Las máquinas más antiguas son menos eficientes y presentan una tendencia impredecible a invertir su polaridad, mientras que la máquina de Wimshurst no tiene ninguno de estos defectos.

En una máquina de Wimshurst, los dos discos aislados y sus sectores metálicos giran en direcciones opuestas, pasando junto a barras neutralizadoras metálicas cruzadas y sus escobillas. Se induce un desequilibrio de cargas, que se amplifica y recoge mediante dos pares de escobillas o peines metálicos con puntas situadas cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores están montados sobre soportes aislantes y conectados a los terminales de salida. La retroalimentación positiva incrementa exponencialmente la acumulación de cargas hasta alcanzar la tensión de ruptura dieléctrica del aire, produciéndose una chispa eléctrica a través del espacio entre los discos.

En teoría, la máquina no es autoarrancable, lo que significa que si ninguno de los sectores de los discos tiene carga eléctrica, no hay nada que induzca cargas en los demás sectores. En la práctica, incluso una pequeña carga residual en cualquier sector es suficiente para iniciar el proceso una vez que los discos comienzan a girar. La máquina solo funciona satisfactoriamente en una atmósfera seca. Requiere energía mecánica para hacer girar los discos contra el campo eléctrico, y es esta energía la que la máquina convierte en la energía eléctrica de la chispa. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan el voltaje de salida máximo que se puede alcanzar. La energía acumulada de la chispa se puede aumentar añadiendo un par de botellas de Leyden , un tipo antiguo de condensador adecuado para altos voltajes, con las placas internas de las botellas conectadas independientemente a cada uno de los terminales de salida y las placas externas de las botellas interconectadas. Una máquina Wimshurst típica puede producir chispas de aproximadamente un tercio del diámetro del disco y varias decenas de microamperios.

Los dos discos aislantes que giran en sentido contrario tienen un número par de sectores metálicos adheridos. La máquina está provista de cuatro cepillos pequeños, dos a cada lado de la máquina en las barras neutralizadoras, además de un par de cepillos o peines recolectores de carga. Estos se montan normalmente a lo largo de la horizontal y entran en contacto con los sectores de los discos delantero y trasero. Generalmente están conectados a las respectivas botellas de Leyden . Las barras neutralizadoras que conectan momentáneamente los sectores opuestos forman una "X". El ángulo de estas barras puede variar normalmente de 30° con respecto a la horizontal a 60°. Es esencial que las barras neutralizadoras estén inclinadas de tal manera que los sectores de los discos entren en contacto con la barra neutralizadora antes de alcanzar la posición vertical. Por ejemplo, si un disco gira en el sentido de las agujas del reloj visto desde el frente, la barra neutralizadora debe estar inclinada de arriba a la izquierda a abajo a la derecha.

Cualquier pequeña carga en cualquiera de los dos discos es suficiente para iniciar el proceso de carga. Supongamos, por lo tanto, que algunos de los sectores del disco frontal ([A] cadena inferior) están cargados positivamente (rojo) y que el disco frontal gira en sentido contrario a las agujas del reloj (de derecha a izquierda). A medida que el sector cargado (cuadrado rojo en movimiento) gira hasta la posición del cepillo en la barra neutralizadora trasera ([Y] punta de flecha hacia abajo), induce una polarización de carga en la barra neutralizadora ([Y-Y1] línea horizontal negra superior) que atrae una carga negativa (verde) al sector inmediatamente opuesto ([Y] cuadrado superior que se vuelve verde) y una carga positiva (roja) al sector al otro lado del disco, a 180 grados de distancia ([Y1] cuadrado superior que se vuelve rojo). Cuando esta última carga positiva llega al lugar donde se encuentra la barra neutralizadora frontal ([X]), induce una carga negativa en el sector del disco frontal ([X] cuadrado inferior que se vuelve verde) y, simultáneamente, una carga positiva (roja) en el sector del lado opuesto del disco ([X1] que se vuelve rojo). Las cargas positivas se recogen de ambos lados de los discos en [Z] y [Z] y las cargas negativas se recogen en el otro lado de los discos (no etiquetado en el diagrama).

El proceso se repite, y cada carga en A induce cargas en B, que a su vez inducen más cargas en A, y así sucesivamente. Sin embargo, este proceso, por sí solo, no produce los altos voltajes que se obtienen realmente, ya que la carga inducida en B será necesariamente menor que la que la induce en A. El aumento exponencial del voltaje se debe a que cualquier voltaje que aparezca en los polos de la máquina genera un campo eléctrico a través de ella, el cual contribuye enormemente a la polarización de las barras neutralizadoras. Obviamente, cuanto mayor sea el voltaje entre los polos, mayor será el grado de polarización y más rápido se cargará la máquina. En definitiva, este ciclo de retroalimentación positiva es más importante que el proceso de transferencia de carga descrito anteriormente, que simplemente sirve para poner en marcha el proceso. La energía generada por la máquina proviene del trabajo realizado al separar las cargas de los sectores de las cargas de las barras neutralizadoras polarizadas en el momento en que se interrumpe el contacto.

La diferencia de potencial máxima que se puede alcanzar está limitada principalmente por la tensión máxima que se puede mantener entre los sectores de los discos situados entre las barras neutralizadoras (que siempre están a potencial cero) y los polos. Esta distancia se maximiza cuando las barras neutralizadoras están lo más cerca posible de la vertical. (Por supuesto, si las barras estuvieran realmente verticales, el campo eléctrico no las polarizaría y la máquina dejaría de funcionar).

Las máquinas de Wimshurst se utilizaron durante el siglo XIX en la investigación física. También se emplearon ocasionalmente para generar alto voltaje y alimentar los tubos de rayos X Crookes de primera generación durante las dos primeras décadas del siglo XX, aunque las máquinas de Holtz y las bobinas de inducción eran más comunes. Hoy en día, solo se utilizan en museos de ciencia y en la enseñanza para demostrar los principios de la electrostática.

• Gotero de agua Kelvin – Tipo de generador electrostático 
• Pelletron – Tipo de generador electrostático 
• Bobina de Tesla : circuito transformador resonante eléctrico inventado por Nikola Tesla. 
• Generador de Van de Graaff : generador electrostático que funciona mediante el efecto triboeléctrico. 

• Sitio web de la máquina de Wimshurst: Fotos y vídeos de una máquina de Wimshurst.
• Demostración en vídeo y explicación de una máquina de Wimshurst por parte del MIT (demostración de física de MIT TechTV).