Generador electrostático

Un generador electrostático , o máquina electrostática , es un generador electromecánico que produce electricidad estática o electricidad a alto voltaje y baja corriente eléctrica continua . La carga se genera con uno de dos métodos: explotando el efecto triboeléctrico (que utiliza la fricción ) o por inducción electrostática , o la combinación de los dos modos.

Algunos generadores electrostáticos son reversibles y, por lo tanto, también pueden funcionar como un motor electrostático.

El conocimiento de la electricidad estática se remonta a las primeras civilizaciones, pero durante milenios siguió siendo solo un fenómeno interesante y desconcertante, sin explicación y a menudo confundido con el magnetismo. A finales del siglo XVII, Otto von Guericke desarrolló una máquina sencilla para generar electricidad por fricción, pero el desarrollo de las máquinas electrostáticas comenzó en el siglo XVIII, cuando se convirtieron en herramientas fundamentales para el estudio de la nueva ciencia de la electricidad.

Los generadores electrostáticos tradicionales funcionan utilizando energía manual para transformar el trabajo mecánico en energía eléctrica: desarrollan cargas electrostáticas separadas de signo opuesto sobre dos conductores y un sistema mecánico de placas, tambores y correas para transportar la carga eléctrica sobre electrodos de alto potencial.

Las máquinas electrostáticas se utilizan normalmente en las aulas de ciencias con fines educativos para el estudio de las fuerzas eléctricas y los fenómenos de alto voltaje. Las altas diferencias de potencial obtenidas también se han utilizado para una variedad de aplicaciones prácticas, como la operación de tubos de rayos X , aceleradores de partículas , espectroscopia , aplicaciones médicas, esterilización de alimentos y experimentos de física nuclear . Los generadores electrostáticos como el generador Van de Graaff y variantes como el Pelletron también se utilizan en física experimental.

Clasificación

Los generadores electrostáticos se pueden dividir en dos categorías dependiendo de cómo se genera la carga [1] :

En ambos casos se obtiene la separación en los dos cuerpos de las cargas eléctricas positivas y negativas, que una vez redistribuidas quedan en reposo. Es por esto que la electricidad obtenida se llama estática. Incluso si en el momento de la electrificación se separan cargas iguales de signo opuesto, el movimiento de los electrones en una dirección y el de las cargas positivas en la dirección opuesta son equivalentes, de modo que la carga eléctrica total permanece constante, a menos que las cargas de el conductor no se dispersa conectándolo a tierra. Obviamente no hay creación de carga en todo el proceso.

En el caso de la electrificación por frotamiento, se transfiere una cantidad de electrones en exceso en uno de los dos cuerpos, mientras que en el otro los electrones estarán en defecto, de modo que el segundo cuerpo asumirá carga negativa. Los buenos aisladores retienen su carga, mientras que los conductores la pierden si no están aislados.

En la electrificación por inducción no hay contacto entre los dos cuerpos. Si un cuerpo aislante, por ejemplo de ebonita , ya cargado negativamente, se acerca a otro cuerpo conductor, por ejemplo de metal, las cargas negativas presentes en la ebonita repelen los electrones del objeto metálico hacia su lado opuesto, dejando la misma cantidad de cargas positivas en la parte del objeto metálico más cercana al objeto de ebonita. Luego, las cargas en el conductor se separan, con un movimiento total cero. Si el conductor se pone en contacto con la tierra , los electrones se dispersan y sobre el metal, una vez retirada la ebonita, sólo quedan las cargas positivas. Luego se indujo una carga positiva en el objeto de metal [2] .

Máquinas de fricción

Historia

Una máquina de fricción simple y rudimentaria [4] fue inventada alrededor de 1663 por Otto von Guericke , alcalde de Magdeburg, quien había inventado la máquina neumática. En Experimenta nova Magdeburgica describe el dispositivo: consistía en una esfera de azufre , obtenida llenando una esfera de vidrio (un matraz) con azufre fundido. Cuando el azufre se enfrió, rompió la esfera de vidrio y montó la esfera de azufre en una varilla. Al hacer girar la esfera de azufre y frotarla con la mano, se generaban chispas crepitantes. [5] . El instrumento globo inspiró más tarde a Isaac Newton quien, en el tratado de Óptica , sugirió el uso de un globo de vidrio en lugar de uno de azufre.

Alrededor de 1706 , Francis Hauksbee mejoró el diseño básico con su máquina de fricción eléctrica que permitía que una esfera de vidrio girara rápidamente contra una tela de lana [8] .

Hauksbee se interesó en la producción de luz y se basó en el experimento de Guericke, también confirmado por Robert Boyle . Hauksbee se ocupó de observar las distintas manifestaciones lumínicas provocadas por las chispas producidas en el aire, en el vacío o en otros medios. Al principio, la máquina inventada consistía en dos cilindros de vidrio que caían uno sobre el otro y que podían girar en la dirección opuesta uno a la vez o juntos por medio de una polea: el cilindro interno también estaba conectado a una máquina neumática que podía aspirar el aire. contenida en él para observar el comportamiento de las chispas [9] .

Hauksbee luego volvió a la forma esférica (las esferas de vidrio se usarán en experimentos durante décadas). Usó una esfera de vidrio giratoria con dos piezas fijas de cuero, dispuestas diametralmente opuestas en el eje de la esfera. La esfera estaba conectada a una polea como en un torno de carpintero para hacerla girar rápidamente. El inventor hizo más para que el experimento fuera sensacional: vació la esfera del aire con una bomba de vacío, cuyo colector, provisto de un grifo, estaba conectado a la esfera en una de las dos piezas de cuero en el eje de rotación. Una mano se arrastró por la superficie de la esfera vacía de aire mientras giraba. Una luminiscencia vívida apareció dentro de él, claramente visible en la oscuridad. Aparecieron filamentos luminosos si se tocaban con un dedo, dirigidos al mismo dedo.

Alrededor de 1730, el físico Georg Matthias Bose en Wittenberg añadió un conductor (un tubo o cilindro aislado sostenido por cuerdas de seda) como colector de electricidad. Bose fue el primero en emplear un conductor para la acumulación de cargas eléctricas en este tipo de máquinas; era una barra de hierro sostenida en la mano por un asistente de pie sobre un bloque de resina para aislarse del suelo. El asistente sostenía una barra de metal en una mano, mientras que en la otra estaba en contacto con el globo giratorio. La carga generada por la fricción de la mano sobre el vidrio fluiría a través del asistente hasta la barra de metal (a la que llamó 'conductor primario') y se acumularía en la superficie exterior de la barra. Esta fue una extensión de la demostración Flying Boy de 1730 de Stephen Gray [10] , pero con la adición de un conductor de metal que luego se convirtió en el único dispositivo de almacenamiento de carga eléctrica. La novedad fue el uso que hizo Bose del metal (la barra) en una época en la que se creía que sólo los aisladores podían acumular electricidad estática. Se sabía que los conductores de metal disipaban la carga rápidamente si no estaban aislados de tierra.

Poco después, el decano de la Catedral de Camin en Pomerania, Ewald Jürgen Georg von Kleist , intentó experimentar con un generador de fricción. Había colgado un tubo de estufa sobre su coche con hilos de seda. Von Kleist se preguntó si el experimento de Bose en la transmisión de electricidad podría extenderse a capturar electricidad en una pequeña botella llena de alcohol, ya que sabía que el vidrio de la botella actuaría como aislante y evitaría que la electricidad se escape. Había colocado en su botella un tapón del que sobresalía un clavo mojado en líquido. Sosteniendo la botella en una mano, colocó el clavo en contacto con el conductor principal. Inmediatamente no pasó nada, pero mientras llevaba la botella de regreso a una habitación oscura, notó un débil brillo de plasma que sugería que el alcohol estaba emitiendo una especie de fuego de San Telmo. Tocando la uña con la uña de su mano libre sufrió un violento golpe. Von Kleist había inventado la botella de Leyden [11] , pero no entendía la función de su mano ahuecada alrededor de la parte exterior de la botella que proporcionaba la armadura conductora externa necesaria para permitir que la botella de Leyden acumulara una enorme cantidad de carga [12 ] .

El diseño de máquinas electrostáticas se vio favorecido por el descubrimiento de la botella de Leyden, un condensador , con revestimientos conductores a ambos lados del vidrio, que acumulaba las cargas eléctricas proporcionadas por una fuente.

En 1746 el físico británico William Watson desarrolló la máquina, que lleva su nombre, consistente en una gran rueda que hacía girar una esfera de vidrio, sobre la que se arrastraba la mano, conectada a un cañón de pistola suspendido de cuerdas de seda.

Johann Heinrich Winckler , profesor de física en Leipzig, utilizó una almohada de cuero en lugar de una mano.

Durante 1746, Jan Ingenhousz inventó máquinas eléctricas usando placas de vidrio. [15] La máquina eléctrica pronto fue mejorada por el monje benedictino escocés, inventor y profesor de filosofía en Erfurt Andrew Gordon [16] : reemplazó la esfera de vidrio con un cilindro de vidrio más eficiente [17] . Benjamin Wilson [18] , alrededor de 1746, mejoró la máquina añadiendo un colector de carga, que constaba de una serie de puntas metálicas [19] . En 1762, el físico británico John Canton (también inventor del primer electroscopio de médula de madera o electroscopio de bola de médula ) mejoró la eficiencia de las máquinas eléctricas untando una amalgama de mercurio y estaño en la superficie del disco (1762) [20] En 1768 , Jesse Ramsden construyó una versión evolucionada del generador electrostático de placas ampliamente utilizado más tarde. Se basaba en una placa giratoria sostenida por postes de madera; la placa se frotó con almohadillas de cuero, la electricidad se recogió con peines de metal y se condujo a un sistema de soporte de latón aislado con patas de vidrio. La máquina de Ramsden era muy popular en los salones de la nobleza, donde se realizaban galantes experimentos "electrizantes" por diversión: las damas montadas en taburetes aislantes intercambiaban "besos eléctricos" con su prometido.

En 1783, el científico holandés Martin van Marum de Haarlem [21] diseñó una gran máquina electrostática de alta calidad utilizando discos de vidrio de 1,65 metros de diámetro. Capaz de producir voltaje con ambas polaridades, fue construido bajo su supervisión por John Cuthbertson de Amsterdam al año siguiente. El generador se encuentra actualmente en exhibición en el Museo Teylers en Haarlem en los Países Bajos, ubicado en la Sala Oval del museo . Estaba equipado con cuatro baterías de jarra de Leyden y podía generar una diferencia de potencial de 330.000 voltios

[22]

Máquinas de influencia

Generadores electrostáticos modernos

Notas

  1. ^ El Museo de Ciencias Galileo Galilei de Florencia conserva una extensa colección de máquinas electrostáticas. La descripción y las imágenes se pueden encontrar en el Catálogo de Máquinas Eléctricas del Museo Galileo Galilei , en catalogue.museogalileo.it . Consultado el 24 de febrero de 2021 .
  2. ^ Electrostática , en Encyclopedia of Science and Technology EST , vol. 5, V edición, Arnoldo Mondadori Editore, 1970, p. 269.
  3. ^ Figuier 1867 , págs. 440 figura. 223 .
  4. ^ Mascart 1876 , págs. 245-301 El texto del siglo XIX proporciona un enfoque histórico detallado de las máquinas de fricción electrostática. Escrito por el físico francés Mascart en 1876
  5. ^ NH de V. Heathcote, Globo de azufre de Guericke , en = Annals of Science , vol. 6, núm. 3, Informa UK Limited, 1950, págs. 293-305, DOI : 10.1080 / , ISSN  0003-3790 . Consultado el 12 de febrero de 2021 .
  6. ^ Figuier 1867 , págs. 441 figura. 225 .
  7. ^ Figuier 1867 , págs. 443 figura. 226 .
  8. ^ Francis Hauksbee, Experimentos físico-mecánicos sobre varios temas: que contiene un relato de varios fenómenos sorprendentes que tocan la luz y la electricidad, producibles en el desgaste de los cuerpos , Londres, R. Brugis, 1709. Consultado el 12 de febrero de 2021 .
  9. ^ Figuier 1867 , pág. 441 reducción y traducción libre del texto citado
  10. ^ Ilustración de " Flying Boy " de Stephen Gray , en sciencesource.com . Consultado el 12 de febrero de 2021 .
  11. ↑ La invención de la botella de Leyden se atribuye generalmente al físico holandés Pieter van Musschenbroek quien la presentó a la comunidad científica internacional en 1746, bautizándola con el nombre de su ciudad, Leiden, sede de la universidad donde ocupó la cátedra de profesor. . Sin embargo, se establece que Ewald Jürgen Georg von Kleist, que había sido estudiante en la misma universidad de Leiden, ya había construido el condensador de forma independiente el año anterior, aunque no comprendía del todo el fenómeno.
  12. ^ Joseph Priestley, La historia y el estado actual de la electricidad con experimentos originales , 1769, p. 80. Consultado el 15 de febrero de 2021 .
  13. ^ https://wellcomecollection.org/works/bye9afdr
  14. ^ http://www.hp-gramatke.de/history/german/page4000.htm
  15. ^ Introducción a la electricidad y el galvanismo; con casos, mostrando sus efectos en la cura de enfermedades byCarpue, JC, London, 1803 A. Phillips https://archive.org/details/b22042684/page/n5/mode/2up
  16. ^ http://www.benediktinerlexikon.de/wiki/Gordon,_Andreas
  17. ↑ Gordon describe sus inventos en Versuch einer Erklarung der Electricitat (Erfurt, 1745) v. http://digitale.bibliothek.uni-halle.de/vd18/content/pageview/3378324 También fue el inventor del primer motor a reacción electrostático.
  18. ^ https://en.wikisource.org/wiki/Dictionary_of_National_Biography,_1885-1900/Wilson,_Benjamin
  19. ^ Benjamin Wilson 'Un tratado sobre electricidad', Londres, II ediz, 1752)
  20. ^ https://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/physics-biographies/john-canton | consultado = 13 de febrero de 2021
  21. ^ https://www.treccani.it/encyclopedia/martin-van-marum/
  22. ↑ Adolphe Ganot proporciona la descripción de la máquina en el texto de 1868 en la p. 635 y la figura. 548: Adolphe Ganot, Traité élémentaire de physique expérimentale et appliquée et de météorologie; suivi d'un recueil de 103 problèmes avec solutions: ill. de 773 belles gravures à l'usage des établissements d'instruction, des aspirants aux grades des facultés , París, 1868.
  23. ^ Mascart 1876 , págs. 305-324 El texto del siglo XIX proporciona un enfoque histórico detallado de las máquinas de inducción y una comparación con las máquinas de fricción. Escrito por el físico francés Mascart en 1876

Bibliografía

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