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Un generador electrostático , o máquina electrostática , es un generador eléctrico que produce electricidad estática , o electricidad a alto voltaje y baja corriente continua . El conocimiento de la electricidad estática se remonta a las primeras civilizaciones, pero durante milenios siguió siendo simplemente un fenómeno interesante y desconcertante , sin una teoría que explique su comportamiento y a menudo confundido con el magnetismo. A finales del siglo XVII, los investigadores habían desarrollado medios prácticos para generar electricidad por fricción, pero el desarrollo de las máquinas electrostáticas no comenzó en serio hasta el siglo XVIII, cuando se convirtieron en instrumentos fundamentales en los estudios sobre la nueva ciencia de la electricidad .
Los generadores electrostáticos funcionan utilizando energía manual (u otra) para transformar el trabajo mecánico en energía eléctrica , o utilizando corrientes eléctricas . Los generadores electrostáticos manuales desarrollan cargas electrostáticas de signos opuestos aplicadas a dos conductores, utilizando únicamente fuerzas eléctricas, y funcionan mediante el uso de placas, tambores o correas móviles para transportar la carga eléctrica a un electrodo de alto potencial .
Las máquinas electrostáticas se utilizan normalmente en las aulas de ciencias para demostrar de forma segura fuerzas eléctricas y fenómenos de alto voltaje. Las elevadas diferencias de potencial logradas también se han utilizado para una variedad de aplicaciones prácticas, como el funcionamiento 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 de Van de Graaff y variaciones como el Pelletron también encuentran uso en la investigación de física.
Los generadores electrostáticos se pueden dividir en categorías según cómo se genera la carga:
Los primeros generadores electrostáticos se denominaron máquinas de fricción debido a la fricción en el proceso de generación. Una forma primitiva de máquina de fricción fue inventada alrededor de 1663 por Otto von Guericke , utilizando un globo de azufre que podía girarse y frotarse con la mano. Es posible que en realidad no haya sido girado durante su uso y no estaba destinado a producir electricidad (más bien virtudes cósmicas), [1] pero inspiró muchas máquinas posteriores que usaban globos giratorios. Isaac Newton sugirió el uso de un globo de cristal en lugar de uno de azufre. [2] Alrededor de 1706, Francis Hauksbee mejoró el diseño básico, [3] con su máquina eléctrica de fricción que permitía girar rápidamente una esfera de vidrio contra una tela de lana. [4]
Los generadores avanzaron aún más cuando, alrededor de 1730, el profesor Georg Matthias Bose de Wittenberg añadió un conductor colector (un tubo o cilindro aislado sostenido por hilos de seda). Bose fue el primero en emplear el " conductor primario " en este tipo de máquinas, que consistía en una barra de hierro sostenida en la mano de una persona cuyo cuerpo estaba aislado colocándose sobre un bloque de resina.
En 1746, la máquina de William Watson tenía una gran rueda que hacía girar varios globos de cristal, con una espada y un cañón de pistola suspendidos de cuerdas de seda como conductores principales. Johann Heinrich Winckler , profesor de física en Leipzig , sustituyó la mano por un cojín de cuero. En 1746, Jan Ingenhousz inventó las máquinas eléctricas hechas de placas de vidrio. [5] Los experimentos con la máquina eléctrica se vieron favorecidos en gran medida por el descubrimiento de la jarra de Leyden . Esta primera forma de condensador , con revestimientos conductores a ambos lados del vidrio, puede acumular una carga de electricidad cuando se conecta con una fuente de fuerza electromotriz.
La máquina eléctrica pronto fue mejorada aún más por Andrew (Andreas) Gordon , un escocés y profesor en Erfurt, quien sustituyó un cilindro de vidrio en lugar de un globo de vidrio; y por Giessing de Leipzig, que añadió una "goma" que consistía en un cojín de lana. El colector, que consta de una serie de puntas metálicas, fue añadido a la máquina por Benjamin Wilson alrededor de 1746, y en 1762, John Canton de Inglaterra (también inventor del primer electroscopio de bola de médula) mejoró la eficiencia de las máquinas eléctricas rociando una amalgama de estaño sobre la superficie del caucho. [6] En 1768, Jesse Ramsden construyó una versión ampliamente utilizada de un generador eléctrico de placas. [ se necesita aclaración ]
En 1783, el científico holandés Martin van Marum de Haarlem diseñó para sus experimentos una gran máquina electrostática de alta calidad con discos de vidrio de 1,65 metros de diámetro. Capaz de producir voltaje con cualquier polaridad, fue construido bajo su supervisión por John Cuthbertson de Ámsterdam al año siguiente. El generador se exhibe actualmente en el Museo Teylers de Haarlem.
En 1785, N. Rouland construyó una máquina con cinturón de seda que frotaba dos tubos puestos a tierra cubiertos con piel de liebre. Edward Nairne desarrolló un generador electrostático para fines médicos en 1787 que tenía la capacidad de generar electricidad positiva o negativa, recogiéndose la primera del conductor principal que lleva los puntos de recogida y la segunda de otro conductor principal que lleva la almohadilla de fricción. La máquina de Winter [ se necesita aclaración ] poseía una mayor eficiencia que las máquinas de fricción anteriores.
En la década de 1830, Georg Ohm poseía una máquina similar a la máquina de Van Marum para sus investigaciones (que ahora se encuentra en el Deutsches Museum , Munich, Alemania). En 1840, se desarrolló la máquina Woodward mejorando la máquina Ramsden de 1768, colocando el conductor primario sobre los discos. También en 1840 se desarrolló la máquina hidroeléctrica Armstrong , que utilizaba vapor como portador de carga.
La presencia de un desequilibrio de carga superficial significa que los objetos exhibirán fuerzas de atracción o repulsión. Este desequilibrio de carga superficial, que conduce a la electricidad estática, puede generarse al tocar dos superficies diferentes y luego separarlas debido al fenómeno del efecto triboeléctrico . Frotar dos objetos no conductores puede generar una gran cantidad de electricidad estática. Esto no es el resultado de la fricción; Dos superficies no conductoras pueden cargarse simplemente colocándose una encima de la otra. Dado que la mayoría de las superficies tienen una textura rugosa, se necesita más tiempo para lograr la carga mediante el contacto que mediante el roce. Frotar objetos entre sí aumenta la cantidad de contacto adhesivo entre las dos superficies. Por lo general , los aislantes , por ejemplo, sustancias que no conducen electricidad, son buenos tanto para generar como para mantener una carga superficial. Algunos ejemplos de estas sustancias son el caucho , el plástico , el vidrio y la médula . Los objetos conductores en contacto también generan desequilibrio de carga, pero retienen las cargas sólo si están aislados. La carga que se transfiere durante la electrificación por contacto se almacena en la superficie de cada objeto. Tenga en cuenta que la presencia de corriente eléctrica no disminuye las fuerzas electrostáticas ni las chispas, la descarga de corona u otros fenómenos. Ambos fenómenos pueden existir simultáneamente en un mismo sistema.
Con el tiempo, las máquinas de fricción fueron reemplazadas gradualmente por la segunda clase de instrumentos mencionada anteriormente, a saber, las máquinas de influencia . Estos funcionan por inducción electrostática y convierten el trabajo mecánico en energía electrostática con la ayuda de una pequeña carga inicial que se repone y refuerza continuamente. La primera sugerencia de una máquina de influencia parece haber surgido de la invención del electróforo de Volta . El electróforo es un condensador de placa única que se utiliza para producir desequilibrios de carga eléctrica mediante el proceso de inducción electrostática.
El siguiente paso fue cuando Abraham Bennet , el inventor del electroscopio de pan de oro , describió un " duplicador de electricidad " (Phil. Trans., 1787), como un dispositivo similar al electróforo, pero que podía amplificar una pequeña carga mediante operaciones manuales repetidas con tres placas aisladas, para hacerlo observable en un electroscopio. En 1788, William Nicholson propuso su doblador giratorio, que puede considerarse como la primera máquina de influencia giratoria. Su instrumento fue descrito como "un instrumento que al girar un cabrestante produce dos estados de electricidad sin fricción ni comunicación con la tierra". (Phil. Trans., 1788, p. 403) Nicholson describió más tarde un aparato de "condensador giratorio" como un mejor instrumento para realizar mediciones.
Erasmus Darwin , W. Wilson, GC Bohnenberger y (más tarde, 1841) JCE Péclet desarrollaron varias modificaciones del dispositivo de Bennet de 1787. Francis Ronalds automatizó el proceso de generación en 1816 adaptando una masa de péndulo como una de las placas, impulsada por un mecanismo de relojería o una máquina de vapor; creó el dispositivo para alimentar su telégrafo eléctrico . [7] [8]
Otros, incluido T. Cavallo (que desarrolló el " multiplicador Cavallo ", un multiplicador de carga mediante suma simple, en 1795), John Read , Charles Bernard Desormes y Jean Nicolas Pierre Hachette , desarrollaron varias formas de duplicadores giratorios. En 1798, el científico y predicador alemán Gottlieb Christoph Bohnenberger describió en un libro la máquina de Bohnenberger, junto con varios otros duplicadores de los tipos Bennet y Nicholson. Los más interesantes se describen en los "Annalen der Physik" (1801). Giuseppe Belli, en 1831, desarrolló un doblador simétrico simple que consistía en dos placas de metal curvadas entre las cuales giraban un par de placas sostenidas por un vástago aislante. Fue la primera máquina de influencia simétrica, con estructuras idénticas para ambas terminales. Este aparato fue reinventado varias veces, por C. F. Varley , que patentó una versión de alta potencia en 1860, por Lord Kelvin (el "replenisher") en 1868, y por A. D. Moore (el "dirod"), más recientemente. Lord Kelvin también ideó una máquina de influencia combinada y una máquina electromagnética, comúnmente llamada molino de ratón, para electrificar la tinta en conexión con su registrador de sifón , y un generador electrostático de gotas de agua (1867), al que llamó " condensador de gotas de agua " . .
Entre 1864 y 1880, WTB Holtz construyó y describió un gran número de máquinas de influencia que se consideraron los desarrollos más avanzados de la época. En una forma, la máquina Holtz consistía en un disco de vidrio montado sobre un eje horizontal al que se podía hacer girar a una velocidad considerable mediante un engranaje multiplicador, interactuando con placas de inducción montadas en un disco fijo cerca de él. En 1865, August JI Toepler desarrolló una máquina de influencia que constaba de dos discos fijados en el mismo eje y que giraban en la misma dirección. En 1868, la máquina de Schwedoff tenía una curiosa estructura para aumentar la corriente de salida. También en 1868, se desarrollaron varias máquinas de influencia de fricción mixta, incluidas la máquina de Kundt y la máquina de Carré. En 1866 se desarrolló la máquina Piche (o máquina Bertsch). En 1869, H. Julius Smith recibió la patente estadounidense de un dispositivo portátil y hermético diseñado para encender pólvora. También en 1869, Poggendorff investigó las máquinas sin sectores en Alemania .
F. Rossetti , A. Righi y Friedrich Kohlrausch investigaron más a fondo la acción y la eficacia de las máquinas de influencia . EEN Mascart , A. Roiti y E. Bouchotte también examinaron la eficiencia y el poder de producción de corriente de las máquinas de influencia. En 1871, Musaeus investigó las máquinas sin sectores. En 1872 se desarrolló el electrómetro de Righi y fue uno de los primeros antecedentes del generador de Van de Graaff. En 1873, Leyser desarrolló la máquina Leyser, una variación de la máquina Holtz. En 1880, Robert Voss (un fabricante de instrumentos de Berlín) ideó una forma de máquina en la que afirmaba que se combinaban los principios de Toepler y Holtz. La misma estructura también se conoce como máquina Toepler-Holtz .
En 1878, el inventor británico James Wimshurst inició sus estudios sobre generadores electrostáticos, mejorando la máquina Holtz, en una potente versión con múltiples discos. La máquina de Wimshurst clásica, que se convirtió en la forma más popular de máquina de influencia, fue presentada a la comunidad científica en 1883, aunque Holtz y Musaeus describieron previamente máquinas anteriores con estructuras muy similares. En 1885, se construyó en Inglaterra una de las máquinas Wimshurst más grandes jamás construidas (ahora se encuentra en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago ). La máquina de Wimshurst es una máquina considerablemente sencilla; Funciona, como todas las máquinas de influencia, con inducción electrostática de cargas, lo que significa que utiliza incluso la más mínima carga existente para crear y acumular más cargas, y repite este proceso mientras la máquina esté en acción. Las máquinas Wimshurst se componen de: dos discos aislados unidos a poleas de rotación opuesta, los discos tienen pequeñas placas conductoras (generalmente metálicas) en sus lados que miran hacia afuera; dos cepillos de doble punta que sirven como estabilizadores de carga y también son el lugar donde ocurre la inducción, creando las nuevas cargas a recolectar; dos pares de peines recolectores, que son, como su nombre lo indica, los recolectores de carga eléctrica producida por la máquina; dos Frascos de Leyden, los condensadores de la máquina; un par de electrodos, para la transferencia de cargas una vez que han sido suficientemente acumuladas. La estructura simple y los componentes de la máquina Wimshurst la convierten en una opción común para un experimento o demostración electrostática casera; estas características fueron factores que contribuyeron a su popularidad, como se mencionó anteriormente. [9]
En 1887, Weinhold modificó la máquina de Leyser con un sistema de inductores de barras metálicas verticales con cilindros de madera cerca del disco para evitar inversiones de polaridad. ML Lebiez describió la máquina Lebiez, que era esencialmente una máquina Voss simplificada ( L'Électricien , abril de 1895, págs. 225-227). En 1893, Louis Bonetti patentó una máquina con la estructura de la máquina de Wimshurst, pero sin sectores metálicos en los discos. [10] [11] Esta máquina es significativamente más poderosa que la versión sectorizada, pero generalmente debe iniciarse con una carga aplicada externamente.
En 1898, WR Pidgeon desarrolló la máquina Pidgeon con una configuración única . El 28 de octubre de ese año, Pidgeon presentó esta máquina a la Sociedad de Física después de varios años de investigación sobre máquinas de influencia (comenzando a principios de la década). El dispositivo se informó más tarde en Philosophical Magazine (diciembre de 1898, pág. 564) y Electrical Review (Vol. XLV, pág. 748). Una máquina Pidgeon posee inductores electrostáticos fijos dispuestos de manera que aumenta el efecto de inducción electrostática (y su salida eléctrica es al menos el doble que la de las máquinas típicas de este tipo [excepto cuando está sobrecargada]). Las características esenciales de la máquina Pidgeon son, por un lado, la combinación del soporte giratorio y el soporte fijo para inducir la carga, y, por otro, el aislamiento mejorado de todas las partes de la máquina (pero más especialmente de los soportes del generador). Las máquinas Pidgeon son una combinación de una máquina Wimshurst y una máquina Voss, con características especiales adaptadas para reducir la cantidad de fuga de carga. Las máquinas Pidgeon se excitan más fácilmente que las mejores de este tipo de máquinas. Además, Pidgeon investigó máquinas de sección "triplex" de mayor corriente (o "máquinas dobles con un solo disco central") con sectores cerrados (y recibió la patente británica 22517 (1899) para este tipo de máquina).
A principios del siglo XX también se desarrollaron ampliamente las máquinas de discos múltiples y las máquinas electrostáticas "triplex" (generadores con tres discos). En 1900, F. Tudsbury descubrió que encerrando un generador en una cámara metálica que contenía aire comprimido , o mejor dicho, dióxido de carbono , las propiedades aislantes de los gases comprimidos permitían obtener un efecto muy mejorado debido al aumento de la tensión de ruptura del gas comprimido. gas, y reducción de las fugas a través de las placas y soportes aislantes. En 1903, Alfred Wehsen patentó un disco giratorio de ebonita que poseía sectores incrustados con contactos de botón en la superficie del disco. En 1907, Heinrich Wommelsdorf informó sobre una variación de la máquina Holtz que utilizaba este disco e inductores incrustados en placas de celuloide (DE154175; "máquina Wehrsen"). Wommelsdorf también desarrolló varios generadores electrostáticos de alto rendimiento, de los cuales los más conocidos fueron sus "Máquinas de condensador" (1920). Se trataba de máquinas de un solo disco, que utilizaban discos con sectores integrados a los que se accedía desde los bordes.
El generador Van de Graaff fue inventado por el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff en 1929 en el MIT como acelerador de partículas. [12] El primer modelo se demostró en octubre de 1929. En la máquina Van de Graaff, una correa aislante transporta carga eléctrica al interior de un terminal de alto voltaje de metal hueco aislado, donde se transfiere al terminal mediante un "peine" de puntos metálicos. La ventaja del diseño era que, dado que no había campo eléctrico en el interior del terminal, la carga del cinturón podía continuar descargándose en el terminal independientemente de cuán alto fuera el voltaje en el terminal. Por lo tanto, el único límite para el voltaje en la máquina es la ionización del aire cerca del terminal. Esto ocurre cuando el campo eléctrico en el terminal excede la rigidez dieléctrica del aire, alrededor de 30 kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico más intenso se produce en puntas y bordes afilados, el terminal tiene la forma de una esfera hueca y lisa; cuanto mayor sea el diámetro, mayor será el voltaje alcanzado. La primera máquina utilizaba una cinta de seda comprada en una tienda de cinco centavos como cinta de transporte de carga. En 1931 se describió en una patente una versión capaz de producir 1.000.000 de voltios.
El generador de Van de Graaff fue un exitoso acelerador de partículas que produjo las energías más altas hasta finales de la década de 1930, cuando el ciclotrón lo reemplazó. El voltaje en las máquinas Van de Graaff al aire libre está limitado a unos pocos millones de voltios debido a una ruptura del aire. Se lograron voltajes más altos, hasta aproximadamente 25 megavoltios, encerrando el generador dentro de un tanque de gas aislante presurizado. Este tipo de acelerador de partículas Van de Graaff todavía se utiliza en medicina e investigación. También se inventaron otras variaciones para la investigación física, como el Pelletron , que utiliza una cadena con eslabones conductores y aislantes alternos para el transporte de carga.
Los pequeños generadores Van de Graaff se utilizan comúnmente en museos de ciencias y en educación científica para demostrar los principios de la electricidad estática. Una demostración popular consiste en hacer que una persona toque el terminal de alto voltaje mientras está parada sobre un soporte aislado; el alto voltaje carga el cabello de la persona, haciendo que los mechones se destaquen de la cabeza.
No todos los generadores electrostáticos utilizan el efecto triboeléctrico o la inducción electrostática. Las cargas eléctricas pueden generarse directamente mediante corrientes eléctricas. Algunos ejemplos son los ionizadores y las pistolas ESD .
La Escuela de Ingeniería Eléctrica, Matemáticas e Informática de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) ha desarrollado un generador eólico electrostático de iones sin paletas, el EWICON . Se encuentra cerca del estudio de arquitectura Mecanoo. Los principales desarrolladores fueron Johan Smit y Dhiradj Djairam. Aparte del viento, no tiene partes móviles. Está impulsado por el viento que arrastra las partículas cargadas de su colector. [13] El diseño adolece de una eficiencia deficiente. [14]
La tecnología desarrollada para EWICON se ha reutilizado en el Dutch Windwheel. [15] [16]
Estos generadores se han utilizado, a veces de forma inapropiada y con cierta controversia, para respaldar diversas investigaciones científicas marginales . En 1911, George Samuel Piggott recibió una patente para una máquina doble compacta encerrada dentro de una caja presurizada para sus experimentos relacionados con la radiotelegrafía y la " antigravedad ". Mucho más tarde (en la década de 1960), el ingeniero alemán Paul Suisse Bauman construyó una máquina conocida como "Testatika" y fue promovida por una comunidad suiza, los Methernithans . Testatika es un generador electromagnético basado en la máquina electrostática Pidgeon de 1898, que se dice que produce "energía gratuita" disponible directamente del medio ambiente.
