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La máquina de Wimshurst o máquina de influencia de Wimshurst es un generador electrostático , una máquina para generar altos voltajes desarrollada entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832–1903). [ cita requerida ]
Tiene una apariencia distintiva con dos grandes discos contrarrotativos montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos y un espacio de chispa formado por dos esferas de metal.
Estas máquinas pertenecen a una clase de generadores electrostáticos llamados máquinas de influencia , que separan cargas eléctricas a través de inducción electrostática o influencia , sin depender de la fricción para su funcionamiento. Las máquinas anteriores 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 muestran una tendencia impredecible a cambiar 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 por las barras neutralizadoras metálicas cruzadas y sus escobillas. Se induce un desequilibrio de cargas, que se amplifica y recoge mediante dos pares de peines metálicos con puntas colocadas cerca de las superficies de cada disco. Estos colectores están montados sobre soportes aislantes y conectados a los terminales de salida. La retroalimentación positiva aumenta las cargas acumuladas de forma exponencial hasta que se alcanza la tensión de ruptura dieléctrica del aire y salta una chispa eléctrica a través del hueco.
En teoría, la máquina no se autoinicia automáticamente, lo que significa que si ninguno de los sectores de los discos tiene carga eléctrica, no hay nada que induzca cargas en otros 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 funcionará satisfactoriamente solo en una atmósfera seca. Requiere energía mecánica para girar los discos contra el campo eléctrico, y es esta energía la que la máquina convierte en la energía eléctrica de la chispa. La salida de estado estable de la máquina de Wimshurst es una corriente continua (no alterna) que es proporcional al área cubierta por el sector metálico, la velocidad de rotación y una función complicada de la distribución de carga inicial. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan el voltaje de salida máximo que se puede alcanzar. La energía de chispa acumulada se puede aumentar agregando un par de frascos de Leyden , un tipo temprano de condensador adecuado para altos voltajes, con las placas internas de los frascos conectadas independientemente a cada uno de los terminales de salida y las placas externas de los frascos interconectadas. Una máquina Wimshurst típica puede producir chispas de aproximadamente un tercio del diámetro del disco en longitud y de varias decenas de microamperios.
La ganancia de voltaje disponible se puede entender al notar que la densidad de carga en sectores con cargas opuestas, entre las barras neutralizadoras, es casi uniforme en todos los sectores y, por lo tanto, a bajo voltaje, mientras que la densidad de carga en los mismos sectores cargados, al acercarse a los peines colectores, alcanza su pico cerca de los bordes del sector, a un voltaje consecuentemente alto en relación con los peines colectores opuestos. [ cita requerida ]
Las máquinas de Wimshurst se utilizaron durante el siglo XIX en la investigación física. También se utilizaron ocasionalmente para generar alto voltaje para alimentar los tubos de rayos X de Crookes de primera generación durante las dos primeras décadas del siglo XX, aunque las máquinas de Holtz y las bobinas de inducción se usaron con más frecuencia. Hoy en día se utilizan solo en museos de ciencias y en la educación para demostrar los principios de la electrostática.
Los dos discos aislantes contrarrotatorios (normalmente de vidrio) tienen una serie de sectores metálicos pegados a ellos. La máquina está provista de cuatro cepillos pequeños (dos a cada lado de la máquina sobre ejes conductores a 90° entre sí), además de un par de peines colectores de carga. Los ejes conductores, que sostienen los cepillos en una máquina Wimshurst típica, formarían la forma de una "X", si uno pudiera ver a través de los discos aislantes, ya que son perpendiculares entre sí. Los peines colectores de carga suelen estar montados a lo largo de la horizontal y en contacto por igual con los bordes exteriores de los discos delantero y trasero. Los peines colectores de cada lado suelen estar conectados a los respectivos frascos de Leyden .
Cualquier pequeña carga en cualquiera de los dos discos es suficiente para iniciar el proceso de carga. Supongamos, por tanto, que el disco trasero tiene una pequeña carga electrostática neta. Para ser más concretos, supongamos que esta carga es positiva (roja) y que el disco trasero ([A] cadena inferior) 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 ([Y] punta de flecha hacia abajo) junto al disco delantero ([B] cadena superior cerca del centro), induce una polarización de carga en el eje conductor ([Y-Y1] línea negra horizontal superior) que sostiene el cepillo, atrayendo carga negativa (verde) al lado cercano ([Y] cuadrado superior que se vuelve verde), de modo que la carga positiva (roja) se acumula en el lado lejano (al otro lado del disco, a 180 grados de distancia) ([Y1] cuadrado superior que se vuelve rojo). Las cargas polarizadas del eje se adhieren a los sectores más cercanos en el disco B, lo que da como resultado una carga negativa en B [Y] más cerca de la carga positiva original en A, y una carga positiva en el lado opuesto de B [Y1]. Después de una rotación adicional de 45° ([Z] cerca del centro de la cadena inferior), la carga positiva (roja) en A (cadena inferior) es repelida por una carga positiva (roja) en B ([Z] cadena superior) que se acerca. El primer peine de recolección ([Z] líneas con puntas de flecha hacia triángulos) encontrado permite que ambas cargas positivas (rojas) abandonen los sectores neutrales (los cuadrados se vuelven negros) y se acumulen en el ánodo de la botella de Leyden (triángulo rojo) atraídos al cátodo de la botella de Leyden (triángulo verde). La carga completa el ciclo a través de los discos cuando una chispa (zigzag amarillo) descarga la botella de Leyden (triángulos rojo y verde).
A medida que B gira 90° en el sentido de las agujas del reloj (de izquierda a derecha), las cargas que se han inducido en él se alinean con las escobillas junto al disco A [X, X1]. Las cargas en B inducen la polarización opuesta del eje de las escobillas A, y la polarización del eje se transfiere a su disco. El disco B sigue girando y sus cargas se acumulan en los peines colectores de carga más cercanos.
El disco A gira 90° de manera que sus cargas se alinean con el cepillo del disco B [Y, Y1], donde se induce una polarización de carga opuesta en el eje conductor B y los sectores más cercanos de B, similar a la descripción de dos párrafos anteriores.
El proceso se repite, y cada polarización de carga en A induce una polarización en B, induce una polarización en A, etc. La "influencia" de los sectores atractivos vecinos induce cargas exponencialmente mayores, hasta que se equilibran con la capacitancia finita del eje conductor. Todas estas cargas positivas y negativas inducidas se recogen mediante peines para cargar las botellas de Leyden, dispositivos de almacenamiento de carga eléctrica similares a los condensadores. La energía mecánica necesaria para separar las cargas opuestas en los sectores adyacentes proporciona la fuente de energía para la salida eléctrica.
