Instituto Politécnico Nacional

CECyT No.1 “Gonzalo Vázquez Vela”

Fisica III

Investigación

Maquinas Electrostáticas

5IM32

Alumnos:

Rodríguez Trujillo Juan Rafael Alan

Acosta Romero Xochitl

Sepulveda Vega Angel Brandon

Profesor:

Hernández Franco Lidia

Máquinas Electrostáticas

Los generadores de electricidad estática son máquinas que producen altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente. Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física. Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff.

En la física experimental, el electróforo es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.

El Electróforo de volta

Definicion:

Se debe el descubrimiento del Electróforo, a Alejandro Volta (1745-1827), Es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.

El primer electróforo fue inventado en 1762 por el profesor Johannes Carl Wilcke. Luego el científico italiano Alessandro Volta perfeccionó y popularizó este dispositivo en 1775, lo que ha llevado a acreditarle erróneamente su invención. Volta acuñó el término electróforo a partir del griego ήλεκτρον ('élektron'), y φέρω ('phero'), es decir, portador de electricidad.

Principio de funcionamiento:

Su funcionamiento se basa aprovechado los fenómenos de inducción, Se compone de dos partes: Una torta de resina electrizable por frotamiento y un disco metálico con mango aislante. El objetivo del Electróforo es conseguir electrizar el disco metálico.

El electróforo funciona de la siguiente manera:

1. En primer lugar, frotamos la superficie superior de la torta de resina o de la lámina aislante con la piel de gato o conejo (del lado de los pelos), o con un tejido de lana, a fin de que la superficie quede cargada negativamente por fricción. Una vez que el aislante está cargado, acercamos el disco metálico sosteniéndolo por el mango aislante (figura 1), con lo que tanto el disco conductor, como la torta de resina o la lámina aislante, se polarizan, situándose las cargas negativas del conductor en la superficie superior como consecuencia de la repulsión ejercida por las cargas negativas que el material aislante tiene en su superficie.

2. Apoyamos el disco conductor encima del aislante, en contacto. Como el aislante tiene exceso de carga negativa su potencial es negativo; como están próximos, el potencial del disco metálico neutro también es negativo.

3. Conectamos el disco conductor a tierra (si no tenemos algo que sirva de toma de tierra, basta con que lo toquemos con un dedo); como la tierra está a potencial de 0 V y el disco metálico tiene un potencial negativo, el disco tiende a perder carga negativa. Se origina una corriente de carga negativa (circulación de electrones) desde el disco hasta la tierra, que cesa cuando el potencial del disco es 0 V. Esto sucede cuando el disco queda cargado positivamente de forma que su potencial positivo se anula con el negativo generado por el aislante, con lo que el potencial total es de 0 V. Dicho de otra manera, así referimos a tierra el potencial de la cara superior del material aislante.

4. Desconectamos el disco metálico de la toma de tierra, el potencial eléctrico sigue siendo de 0 V.

5. Separamos el disco metálico del aislante, agarrándolo por el mango, ya que si tocásemos el disco con la mano, en el momento en que alejásemos el disco de la lámina aislante, el potencial del disco pasaría de 0 V a un potencial positivo, con lo que electrones de nuestro cuerpo pasarían al disco, descargándolo. Esta acción de alejar el disco del material aislante cargado es la que inducirá en el disco metálico una carga de algunos miles de voltios.

6. Ahora el disco metálico ha quedado cargado positivamente; si tiene una carga suficiente y acercamos un dedo al disco sin tocarlo, veremos que salta una chispa entre nuestro dedo y el disco, que quedará así descargado.

Partes principales:

Está formado por:

• Un disco de material conductor, generalmente metálico, con un mango aislante para sostenerlo (en el dibujo superior se ve el mango, en los esquemas debajo no está representado).

• Una lámina de material aislante. En la versión original era una torta de resina.

• Piel de gato (en la versión original), piel de conejo, o un simple tejido de lana bien seco, más fácil de conseguir.

Aplicaciones:

 Entre sus aplicaciones está la de producir, mediante la chispa generada, detonaciones en mezclas gaseosas. 

Este estudio experimental es aplicado para dar una idea de la magnitud de las fuerzas electrostáticas. Por ejemplo, hay que elevar 20 gramos para que el disco conductor de un electróforo de 14 cm de diámetro permanezca a 2 mm de la torta de resina medianamente electrizada.

La carga del disco metálico puede emplearse para distintos experimentos. Por ejemplo, si se pone el disco en contacto con un conductor aislado, se comprobará que la carga puede ser transportada a distancia. Como la carga estática que la base dieléctrica adquirió por frotamiento no se gasta durante el proceso de cargar el disco conductor, éste puede volver a cargarse muchas veces sin necesidad de frotarla nuevamente. Esto es así, porque la energía empleada para cargar el disco no es suministrada por la carga de la base dieléctrica, sino por el trabajo mecánico de separar el disco de la base. Es por esta razón que Volta lo llamó electróforo perpetuo.

Bibliografia:

DELGADO, Mª ÁNGELES, LÓPEZ, J. DAMIÁN Y OTROS: La recuperación del material científico de los gabinetes y laboratorios de Física y de Química de los institutos y su aplicación a la práctica docente en secundaria, en XXI Encuentros de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Servicio editorial UPV, 2004, pp.361-380.

GUILLEMIN, AMADEO: El mundo físico. Tomo tercero. Montaner y Simón, editores, Barcelona, 1882.  

TURPAIN, ALBERTO: Tratado teórico-práctico de física. Casa editorial Araluce. Barcelona 1931.

Maquina electrica de ramsden

Definición:La máquina electrostática de Ramsden es el resultado de las mejoras que, en 1766, realizó Ramsden a unaprimitiva máquina eléctrica de Otto Von Guernicke (inventor también de otros instrumentos como los hemisferios de Magdeburgo que se explican en otra sección).

Permite obtener carga eléctrica por inducción,haciendo girar un disco que roza contra unos cojines de cuero.

Principio de funcionamiento:

Entre dos montantes de madera existe un platillo circular P de vidrio, fijo por su centro a un eje que se hace girar por medio de un manubrio. Este platillo se halla oprimido, en la dirección de su diámetro vertical, entre

cuatro frotadores o almohadillas F, de cuero o de seda. En el sentido de su diámetro horizontal pasa por entre dos

tubos de latón, encorvados en forma de herradura, llamados peines, en razón a las puntas que, dispuestas a ambos

lados de dichas piezas, miran al platillo. Estos peines están fijos, a los conductores, o sea a unos tubos más gruesos

C, aislados sobre cuatro pies de vidrio, y que comunican entre sí por un tubo de menor diámetro.        Es sumamente sencilla la teoría de la máquina eléctrica, fundada en la electrización por frotamiento y por influencia. En su movimiento de rotación, se electrizan positivamente el platillo de vidrio, y negativamente las almohadillas; pero como éstas comunican con el suelo por los pies de madera, en los cuales se hallan clavadas, pierden su electricidad al mismo tiempo que se produce. La positiva del platillo obra por influencia sobre los conductores, y atrae la negativa que, al desprenderse por las puntas, va a combinarse con la positiva del vidrio, neutralizándola. Los conductores que pierden así su electricidad negativa, quedan electrizados positivamente. Por lo tanto, nada cede el platillo a los conductores en la máquina eléctrica; al contrario, sólo le roba su fluido negativo, originado por la descomposición del fluido

natural.         Cargada la máquina, al aproximar la mano se saca una fuerte chispa, que se renueva girando el disco, pues como es el resultado de la combinación del fluido negativo de la mano con el positivo de la máquina, tiende ésta, a cada chispa, a recobrar el estado neutro, pero en el acto mismo la electriza de nuevo la influencia del disco.

Durante el movimiento de rotación, el disco roza con las almohadillas, cediéndoles electrones, con lo que éstas quedan cargadas negativamente.

El vidrio, que ha quedado cargado positivamente, ejerce influencia sobre los peines de la máquina, atrayendo los electrones de sus puntas para recobrar el estado neutro. Con esto, las bolas metálicas de los extremos de las barras horizontales, quedan cargadas positivamente.

Para un funcionamiento óptimo de la máquina es imprescindible que esté completamente seca y al abrigo de la humedad.

Aplicaciones

Máquinas Electrostáticas Los generadores de electricidad estática son máquinas que producen altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente. Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física. Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff. En la física experimental, el electróforo es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.

Bibliografía

DELGADO, Mª ÁNGELES, LÓPEZ, J. DAMIÁN Y OTROS: La recuperación del material científico de los gabinetes y laboratorios de Física y de Química de los institutos y su aplicación a la práctica docente en secundaria, en XXI Encuentros de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Servicio editorial UPV, 2004, pp.361-380.

Feliú y Pérez, Dr. D. Bartolomé: Curso elemental de física experimental y aplicada, sexta edición. Barcelona, Imprenta de Jaime Jepus, 1886. página 385.

GANOT, ADOLPHE: Tratado elemental de física experimental y aplicada y meteorología. 2ª edición. Imprenta de Simon Bacon y Comp. París 1871.

Maquina eléctrica de Wimshurts

Definicion:

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.

Principio de Funcionamiento:

La máquina de Wimshurst se utiliza para obtener grandes cantidades de cargas, separadas en negativas y positivas, su principio se basa en un proceso de inducción mutua entre dos cilindros que giran. Es decir, el proceso de producir cargas de distinto signo y almacenarlas en dos condensadores diferentes se puede automatizar con la máquina de Wimshurst.

Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de material no conductor, 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 de papel de estaño, 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 excitadores provistos de mangos de ebonita, 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 condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. No es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Por eso algunas máquinas incorporan un trocito de piel que tiene un mínimo de carga de manera que la máquina arrancará siempre con la misma polaridad. Hay cuatro funciones iguales que se realizan, dos en cada disco. Se puede decir que tenemos cuatro electróforos, dos positivos

y dos negativos. Al aproximarse la partes positivas y neutras de los discos produce el efecto de electróforo. La corriente estática se almacena en botellas de Leyden

Partes Principales:

En la periferia de los discos, a la altura de su eje central en posiciones que corresponden a los 90 y los 270 grados, podemos ver también dos piezas metálicas en forma de "U" que abrazan la parte del disco por donde desfilan los sectores, y que se mantienen a una distancia de centímetro o centímetro y medio de los discos. En cada lateral interno de esta "U" se han dispuesto unas cuantas agujas dirigidas hacia los discos,  pero siempre dejando suficiente espacio para no tocarlos.

Estas piezas son los "peines colectores" y suelen estar sujetas a un soporte aislante y a un contacto central que sobresale de dos cilindros de cristal con una parte plateada. Estos cilindros son las Botellas de Leyden, unos primitivos condensadores de baja capacidad que no obstante permiten almacenar tensiones de cientos de miles de voltios.

Los contactos centrales de las Botellas de Leyden, y por lo tanto sus armaduras internas, están conectadas a los peines colectores, mientras que las armaduras externas de las dos botellas están unidas eléctricamente entre sí mediante un puente removible. Este punto puede considerarse de voltaje neutro y a la vez puede conectarse a tierra, así como al eje metálico superior que comunica las barras neutralizadoras de ambos discos.

De los mismos contactos centrales también parten dos varillas metálicas ajustables de unos diez o quince centímetros de longitud, acabadas en pequeñas esferas entre las cuales se producirán las descargas en forma de chispa.

En cuanto a los discos en sí, que pueden girar locos en el eje superior, están unidos a sendas poleas de pequeño diámetro, las cuales a su vez están ligadas mediante correas hasta otras dos poleas de mayor diámetro solidarias a un eje inferior que acaba en una manivela, de manera que al girar ésta, los dos discos superiores también lo harán pero a mucha mayor velocidad. Una particularidad de esta máquina es que los discos han de girar uno en sentido contrario al otro, y para conseguirlo se utilizan básicamente los sistemas denominados "Longitudinal" y "Transversal".

Aplicaciones:

La maquina de Ramsden es normalmente utilizada como generador electrostático y electrodinámico porque producen gran tensión eléctrica. Produce electricidad mediante inducción gracias a dos o más discos que se mueven en sentidos opuestos y que contienen láminas de estaño sobre ellos, incluyendo también unos arcos metálicos y unos condensadores para favorecer el proceso.

Bibliografia:

DELGADO, Mª ÁNGELES, LÓPEZ, J. DAMIÁN Y OTROS: La recuperación del material científico de los gabinetes y laboratorios de Física y de Química de los institutos y su aplicación a la práctica docente en secundaria, en XXI Encuentros de Didáctica de las Ciencias Experimentales.Servicio editorial UPV, 2004, pp.361-380.

MARCOLAIN SAN JUAN, R. PEDRO: Compendio de Física moderna. Imprenta del Hospicio Provincial, Zaragoza, 1920, páginas 177-178.

PLA CARGOL, JOAQUIN: Prácticas elementales de Física y Química. Editores  Dalmáu Carles, Pla. S. A. Gerona. Madrid. 1942. Pag 110.

Generador de Vander Graff

Definición:

El generador de Van de Graff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

Principio de Funcionamiento:

Cuando se introduce un conductor cargado dentro de otro hueco y se ponen en contacto, toda la carga del primero pasa al segundo, cualquiera que sea la carga inicial del conductor hueco

Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga del conductor hueco indefinidamente. De hecho, existe un límite debido a las dificultades de aislamiento de la carga. Cuando se eleva el potencial, el aire que le rodea se hace conductor y se empieza a perder carga.

Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la polea y la cinta están hechas de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario.

Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor

Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera un carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura.

Si una aguja metálica se coloca cerca de la

superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se

produce un intenso campo eléctrico entre la

punta de la aguja y la superficie de la polea. Las

moléculas de aire en el espacio entre ambos

elementos se ionizan, creando un puente

conductor por el que circulan las cargas desde la

punta metálica hacia la cinta.

Las cargas negativas son atraídas hacia la

superficie de la polea, pero en medio del camino

se encuentra la cinta, y se depositan en su

superficie, cancelando parcialmente la carga

positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia

arriba, y el proceso comienza de nuevo.

Q

La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada

positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es

metálica).

Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando

los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea

inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga

negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga

como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco.

Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo.

Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga

viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco

tanto en su movimiento ascendente como descendente.

 

Partes Principales:

El generador de Van de Graff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o

cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se

acumula la carga transportada por la cinta.

Aplicaciones:

Un generador de Van de Graff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad. Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier otro tipo de batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar una diferencia de potencial constante. Los generadores de Van de Graff están diseñados para no proporcionar más de un par de miliamperios de corriente. Lo que permite al generador aumentar tanto el voltaje es que la resistencia del aparato va variando. A medida que la esfera conductora se carga, el aire que es aislante (dieléctrico) se va

ionizando y va “convirtiéndose” en conductor. Esto no sucede de manera indefinida sino que llegado un momento el aire se perfora y ya no es capaz de seguir conduciendo cargas, haciendo que en este momento la esfera ya no podrá cargarse más. 

Bibliografía:

Francis W. Sears y Mark W. Zemansky. Física, Edt. Aguilar (1970) pág. 565.