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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDICIPLINARIA
DE INGENIERIAS CAMPUS ZACATECAS
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
JULIO CESAR FLORES URBINA
PROYECTO FINAL
MAQUNA DE WIMSHURST
JOSE DE JESUS FELIX RODRIGUEZ
30 DE NOVIEMBRE DE 2013
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Resumen
La máquina de Wimshurst es un dispositivo electromecánico, que aplica las leyes
relacionadas con el campo eléctrico, esta es capaz de producir energía eléctrica a
través de la fricción entre escobillas y sectores de aluminio, almacenándola en un
par de botellas de Leyden, cuando estas no pueden almacenar más energía, se
produce una descarga siendo visible un arco eléctrico de variada longitud producido
entre las terminales de los capacitores, acompañado de un ruido característico de
los arcos eléctricos.
Introducción.
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 que giran solidarios montados
verticalmente, dos barras cruzadas con escobillas metálicas, y dos esferas de metal
separadas por una distancia variable donde saltan las chispas. Se basa en el efecto
triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se
frotan entre sí, cabe destacar además que se puede considerar un generador de
electricidad que alcanza voltajes del orden de los Kv y unos cuantos µA. de la
misma manera se hablara de manera detallada sobre la construcción de una
máquina de Wimshurst
Marco teórico
La triboelectricidad y la inducción electroestática
Este tipo de máquinas basan su funcionamiento en el fenómeno de la
triboelectricidad, palabra derivada del griego "tribein" (frotar) y "electron" (ámbar),
que se refiere de forma general a la electricidad producida por frotamiento entre
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materiales de distinta naturaleza. Hoy en día se sabe que se debe a la distinta
facilidad que tienen los materiales para retener los electrones situados en su
superficie, de tal forma que al frotar dos elementos distintos algunos electrones del
menos retentivo pasarán inevitablemente al otro, dándole así a cada material una
polaridad, ya sea negativa o positiva, por el cambio en los electrones ya se por
perdida o ganancia de los mismos.
James Wimshurst
James Wimshurst (13 de abril de 1832- 03 de enero de 1903) fue un inventor,
ingeniero y carpintero de barcos inglés. A pesar de que no patentó ninguno de sus
diseños ni mejoras para sí mismo, el perfeccionamiento que produjo en el generador
electrostático, han hecho que este adquiera por excelencia el nombre de Máquina
de Wimshurst.
Wimshurst nació en Poplar, Inglaterra y era el hijo de Henry Wimshurst, un
constructor de barcos del Muelle de Ratcliffe Croos. Wimshurst se educó en
Steabonheath House en Londres donde, posteriormente, devino aprendiz de James
Mare en la fundición Thames hasta 1853. En 1865, se casó con Clara Tribble. En
1865, después de que fuera enviado a Liverpool, pasó a trabajar en la aseguradora
de aquella ciudad. En 1874, se enroló en la Cámara de Comercio como "supervisor
jefe carpintero de barcos" en Lloyds. Posteriormente, en 1890, devino representante
de la Cámara de Comercio en una conferencia internacional en Washington.
Wimshurst dedicó gran cantidad de su tiempo libre a trabajos experimentales.
Además de su actividad en el campo de la electricidad, inventó una particular bomba
de vacío, un instrumento para indicar la estabilidad del barco y varios métodos para
la conexión a tierra de la corriente eléctrica. En 1878, empezó a experimentar con
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los impulsos eléctricos que generaban ciertas máquinas con propósitos lúdicos y
científicos. Comenzando ya en 1880, se interesó en gran cantidad por las máquinas
electrostáticas de inducción. Su casa de Clapham, Inglaterra, disponía de un amplio
taller en el cuál se disponía de numerosas herramientas y aparatos que posibilitaban
la iluminación eléctrica. Wimshurst fabricó de los conocidos como generadores
electrostáticos, como los ideados por W Nicholson, F.P. Carré y W.T.B Holtz.
Wimshurst realizó algunas modificaciones a los de los mencionados, resultando lo
que se conoce como la Máquina de Holtz-Wimshurst.
Poco después, Wimshurst desarrolló una "máquina dúplex". El diseño consta de dos
discos rotando en sentidos opuestos, con sectores metálicos de conducción en cada
una de sus superficies. Comparado con las de sus predecesores, está máquina era
menos sensible a las condiciones atmosféricas y no requería ser alimentada con
otro tipo de corriente. Este tipo de máquina fue, además, mejorada por otros
diseñadores (como la máquina Pidgeon desarrollada por W. R. Pidgeon, la cual
incrementaba el efecto de inducción y la salida eléctrica). En 1882, Wimshurst
desarrolló la "Máquina Cilíndrica". Para 1883, sus mejoras en el generador
electrostático permitieron al aparato ser conocido como la máquina de Wimshurst.
En 1885, una de las más grandes máquinas de Wimshurst se construyó en
Inglaterra.
Wimshurst se convirtió en miembro de la Institución de Ingenieros Eléctricos en
1889. En 1891, publicó una máquina que generaba alta tensión mediante corriente
alterna. En 1896, se encontró un nuevo uso para sus máquinas de múltiples discos
(más de ocho) en el generador de rayos Roentgen para radiografías y
electroterapia. Por esta contribución a la ciencia médica, fue nombrado miembro de
la Royal Society en 1898.
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Murió en Clapham, Inglaterra, a la edad de 70 años.
Máquina de Wimshurst
Esta máquina pertenece a una clase generadores, que crean cargas eléctricas por
inducción electrostática.
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 escobillas. 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.
Solo requiere energía mecánica para girar los discos en contra del campo eléctrico,
y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la
máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente 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 determinan la salida de voltaje máxima
que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar
mediante la adición de un par de jarras Leyden.
Partes de una máquina de Wimshurst
Esta fue una parte problemática de ubicar dentro del reporte, existe el dilema sobre
si explicar primero como funciona o decir las partes que conforman el dispositivo,
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creo que la mejor manera de abordar el tema es explicando las partes que necesita
el dispositivo. (Basado en mi dispositivo)
Base de madera: para poder fijar los mecanismos que accionan el dispositivo, esta
está conformado de 3 piezas, a grandes rasgos se puede decir que son 1 rectángulo
con dos trapecios ensamblados de manera simétrica.
Discos: de material aislante, en este caso se utilizaron discos de acrílico con una
medida de 29 cm de diámetro se usaran para fijar en ellos los sectores de aluminio.
Sectores: son las piezas de aluminio de lata de refresco, recortados en forma de
lágrima, donde gracias a la fricción con las escobillas se obtendrá electricidad,
deben pegarse de manera simétrica, la forma de los sectores puede ser de suma
importancia.
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Jarras de Leyden son un tipo de condensador, se usan para almacenar energía
dentro de ellos, formados por dos capas de metal separadas por un material
dieléctrico.
Escobillas: se usa alambre para colocarlo en los extremos de las superficies que
deben estar en contacto con otras piezas, por ejemplo las barras neutralizadoras y
los colectores.
Colectores. Hechos de metal, en forma de u, sirven para recolectar la energía
producida en los sectores, van conectados a las jarras de Leiden, existen dos
variantes, pueden estar separados de los discos una distancia determinada o
pueden estar en contacto directo con los discos.
Varilla roscada: se usa para fijar las jarras de Leyden en su sitio, sostener los
colectores y conexión de las varillas terminadas con una esfera sólida para ver la
chispa.
Barras neutralizadoras: se usa lámina, o varilla del mismo largo que el diámetro de
los discos, y se les coloca escobillas en los extremos para hacer contacto con los
sectores. Se colocan en un rango de 45 a 70 grados.
Esferas de explosor: esferas solidas de metal, es donde se aprovecha el principio de
puntas, para la chispa.
Mecanismo de movimiento de los discos: Está formado por una manivela, 2 ejes
colocados de manera horizontal, a una distancia mayor que el radio de los discos, 4
poleas y 2 bandas, se debe resaltar que el uso de las poleas debe lograr que giren
en sentidos opuestos los discos.
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El funcionamiento de una máquina de Wimshurst
El funcionamiento de la máquina de Wimshurst, de debe al fenómeno triboeléctrico y
que como ya se había mencionado anteriormente consiste en el frotamiento o
fricción que existe entre las escobillas y los sectores, después al pasar los sectores
muy próximos a los colectores la energía se va acumulando poco a poco en las
jarras de Leyden hasta que estas ya no pueden seguir almacenándola y se produce
un efecto de descarga visible con un arco y sonido lo anterior se debe al impulso
dado a los discos mediante energía mecánica a través de la manivela.
A continuación se muestra un diagrama sobre el movimiento e influencia de las
cargas en los discos de una maquina de Wimshurts, donde se puede apreciar una
posible polaridad que esta puede obtener
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Además, las esferas solidas de las puntas de los terminales, ayudan a reducir el
principio de puntas , ya que si estas no estuvieran se descargaría más pronto y no
podríamos observar la gran elevación de voltaje que se produce entre estas
terminales, almacenando la carga durante más tiempo.
Cabe destacar que a menos de que realicen mejoras como agregar otra fuente de
tensión para polarizarlo siempre de la misma manera, ya que esta puede cambiar de
polaridad entre un uso y otro.
Creación de una máquina de Wimshurts
Lista de materiales utilizados.
Acrílico
Cable (calibre 6)
Madera
Aluminio, (latas, láminas)
Varilla roscada (distintos calibres)
Tornillería (tornillos, tuercas, rondanas, rondana de presión)
Bandas
Poleas
Herramientas utilizadas
Sierras (recta, angular, caladora, de banco)
Esmeril
Taladro (manual, de banco)
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Después se procedió a ensamblar las piezas en su sitio cuidando guardar en lo más
posible la simetría del mismo utilizando Resistol de carpintería y pistola de clavos.
Construcción de los discos con sectores.
Para los discos se utilizó una placa de acrílico, en un principio se creí que harían un
buen trabajo en la vidriería, pero no fue así, me entregaron dos óvalos mal cortados,
no fue una opción dejarlos así, se recurrió a el accesorio de corte del Dremel, para
ser precisos un disco de corte de 1/64 de pulgada, entre más delgado mejor, porque
si este es más grueso antes de cortar se comienza a quemar el material. Buscando
perder el menos material posible, se lograron dos discos de 29 cm de diámetro.
Una vez cortados los discos y tomado medidas, se utilizó la herramienta de trabajo
Solidworks para diseñar la plantilla y poder pegar con facilidad en el lugar adecuado
los sectores. También se puede optar por usar un transportador y medir los ángulos
que le corresponden a cada sector es considerable decir que es el camino menos
viable, pero hay que mencionarlo. Una vez puesto el disco sobre la plantilla se
pegaron los sectores en su sitio con Resistol fuerte finalmente para terminar los
discos, se perforo con un taladro de banco a la medida del eje.
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Sectores de aluminio
Se hace una plantilla en forma de lágrima, para plasmarla sobre láminas de
aluminio, que se pueden obtener de latas. Y se recortan cuidadosamente, después
de recortadas, existe la necesidad absoluta de lijarlo, porque las latas llevan un
recubrimiento que resulta ser aislante y perjudicial para nuestro propósito.
Poleas
Las poleas, son las piezas difíciles de encontrar, existen varias opciones,
maquinarlas en el torno, sean del material que sean, los recomendados son madera,
plástico, pero puede ser de cualquier material que sirva para el fin. En mi caso
utilice poleas de aluminio de diversos electrodomésticos comunes como lavadoras y
máquinas de coser, pero sin remedio alguno, al no ser precisamente hechas para
terminar en una máquina de Wimshurst terminaron pasando por el taladro para
poder ser acopladas en los ejes y en los discos.
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Barras neutralizadoras y colectores.
Utilizando lamina de aluminio, el proceso para realizar ambas piezas fue muy
similar, lo único que cambia es el diseño que hay que recortar con ayuda de un
esmeril o pinzas de corte, en el caso de las barras, se cortaron dos tramos largos de
40 * 2 cm, se les hizo un doblez al final y se le soldaron las escobillas con cautín,
trabajo no recomendado es casi imposible soldar con cautín en una lámina de
aluminio lo que se hizo fue taladrar los extremos insertar el alambre y rellenar el
hueco con soldadura, para los colectores, se trazó una U con un rectángulo en un
extremo para sujetarlo a las jarras de Leyden.
Jarras de Leyden.
Creo que esta es la parte más sencilla, pero a la vez complicada se pueden hacer
prácticamente a partir de cualquier objeto, mientras que podamos tener dos placas
separadas por un dieléctrico, en mi caso fue bastante satisfactorio usar latas de
desodorante, porque se pueden usar con dos funciones, primero como armadura
interna de la jarra de Leyden y además por tener una buena resistencia se pueden
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atornillar perfectamente sin miedo a romperlas o deformarlas, las jarras de Leyden
como ya se mencionó están compuestas de dos placas con forma cilíndrica
separadas por un material dieléctrico, en este caso la armadura interna es el
aluminio del bote, la armadura externa es papel aluminio del que se usa en la
cocina, y el material dieléctrico se usó plástico del que se usa para engargolar.
Cabe destacar que el punto importante de las jarras de Leyden, es que no deben
estar aisladas con madera, se debe de usar de preferencia acrílico como base para
los mismos y además el puente entre las jarras debe ser entre las armaduras
externas. De lo contrario no harán su función.
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Ejes y mecanismo de la máquina.
Los ejes donde actúa el mecanismo que hace girar los discos están basados en una
manivela soldada al eje inferior, en el eje inferior se colocaron dos de las poleas con
tuercas, se introdujeron las bandas y el eje se dejó instalado ya en su lugar
definitivo, para el segundo eje se necesita un poco más de cuidado, necesitamos
medir la distancias en las que queda nuestro sistema para que los discos queden en
el centro, y no quede nada forzado pudiendo ocasionar que las bandas se salgan de
lugar, los bujes y las tuercas pueden ayudar a colocar en el lugar exacto cada pieza,
las poleas del eje superior se fijaron con tornillos a los discos, después de
ensamblar el eje sin olvidar que la distancia entre los discos debe ser bastante
pequeña, y colocarlo en su sitio se montaron las bandas, para finalizar cabe
destacar que una de las bandas debe de esta cruzada y como las poleas no están
fijas al eje, se logra que el mecanismo funcione correctamente con los discos
girando en sentidos opuestos.
Barras con esferas del explosor
Estas se realizaron con tornillos largos, a los cuales se le acoplaron esferas solidas
de latón previamente maquinadas para poder enroscar el tornillo y dejarlas fijas,
después de fijaron con ayuda de alambre a los soportes de las jarras de Leyden.
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Ensamble final.
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Conclusiones
La construcción de una maquina de Wimshurts deja muchas experiencias, quizás no
todas fueron bonitas, pero al final fue gratificante, la falta de herramientas de trabajo
nos hacen depender del tiempo y disponibilidad de otras personas, además algunas
piezas son complicadas de conseguir, lo mejor es reciclar las piezas de aparatos de
uso cotidiano, la construcción de la maquina necesita tiempo dedicación y un poco
de estudio respecto a la maquina, pues no se puede tratar de copiar siquiera una
manual en internet, es mucha suerte si después de copiar todo al pie de la letra
esta funciona, porque siempre hay detalles que se nos pueden pasar o simplemente
se toman por obvios para el autor que quizás ya hizo un estudio exhaustivo al
respecto.
El funcionamiento y eficiencia de la maquina de Wimshurts dependen de tomar en
cuenta todos los aspectos, un buen aislamiento de los elementos que la conforman,
la simetría, la forma de los sectores, las jarras de Leyden los electrodos, además de
las inclemencias del clima, suele fallar si es un día muy húmedo.
La máquina tiene distintas aplicaciones dentro de la electroestática, de manera
práctica podemos separar los electrodos, colocar caimanes a distintos elementos y
observar cosas como un reguilete de metal girando debido al campo eléctrico
producido, una flama que se mueve debido a la perturbación del campo eléctrico a
su alrededor, o hasta una pelotita de ping pong (cubierta de aluminio) que rebota
entre dos laminas aisladas de la superficie y conectadas a las terminales de las
jarras de Leyden, en una de las láminas la pelotita pierde electrones y en la otra los
recupera repitiendo el ciclo mientras la maquina este en uso.