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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 permaneció simplemente como un fenómeno interesante y desconcertante , sin una teoría que explicara 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 que se transmiten a dos conductores, utilizando únicamente fuerzas eléctricas, y funcionan utilizando placas, tambores o correas móviles para llevar 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 que se consiguen también se han utilizado para diversas 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 se utilizan en la investigación en física.
Los generadores electrostáticos se pueden dividir en categorías según cómo se genera la carga:
Los primeros generadores electrostáticos se denominan 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 rotarse y frotarse con la mano. Es posible que en realidad no haya 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 vidrio 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 que una esfera de vidrio girara rápidamente 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 tales máquinas, que consistía en una barra de hierro sostenida en la mano de una persona cuyo cuerpo estaba aislado al estar de pie sobre un bloque de resina.
En 1746, la máquina de William Watson tenía una gran rueda que giraba varios globos de vidrio, con una espada y un cañón de pistola suspendidos de cordones de seda como sus conductores principales. Johann Heinrich Winckler , profesor de física en Leipzig , sustituyó la mano por un cojín de cuero. Durante 1746, Jan Ingenhousz inventó máquinas eléctricas hechas de vidrio plano. [5] Los experimentos con la máquina eléctrica se vieron ayudados en gran medida por la invención de la botella de Leyden . Esta forma temprana del 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 fue pronto mejorada por Andrew (Andreas) Gordon , un escocés y profesor de Erfurt, que sustituyó un cilindro de vidrio en lugar de un globo de vidrio; y por Giessing de Leipzig, que añadió una "goma" consistente en un cojín de material de lana. El colector, que consta de una serie de puntas de metal, fue añadido a la máquina por Benjamin Wilson alrededor de 1746, y en 1762, John Canton de Inglaterra (también el inventor del primer electroscopio de bolas de médula) mejoró la eficiencia de las máquinas eléctricas rociando una amalgama de estaño sobre la superficie de la goma. [6] En 1768, Jesse Ramsden construyó una versión ampliamente utilizada de un generador eléctrico de placas. [ aclaración necesaria ]
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 construida 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 correas de seda que frotaba dos tubos conectados a tierra cubiertos con pelo de liebre. Edward Nairne desarrolló un generador electrostático para fines médicos en 1787 que tenía la capacidad de generar electricidad positiva o negativa, la primera de las cuales se recolectaba del conductor principal que transportaba los puntos de recolección y la segunda de otro conductor principal que transportaba la almohadilla de fricción. La máquina de Winter [ aclaración necesaria ] poseía una mayor eficiencia que las máquinas de fricción anteriores.
En la década de 1830, Georg Ohm poseía una máquina similar a la de Van Marum para sus investigaciones (que ahora se encuentra en el Deutsches Museum , Múnich, Alemania). En 1840, se desarrolló la máquina de Woodward mejorando la máquina de Ramsden de 1768, colocando el conductor principal sobre el disco o los discos. También en 1840, se desarrolló la máquina hidroeléctrica de Armstrong , que utilizaba vapor como portador de carga.
La presencia de desequilibrio de carga superficial significa que los objetos exhibirán fuerzas atractivas o repulsivas. 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 al colocarse una sobre la otra. Dado que la mayoría de las superficies tienen una textura rugosa, lleva más tiempo lograr la carga a través del contacto que a través del frotamiento. 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 solo si están aislados. La carga que se transfiere durante la electrificación del contacto se almacena en la superficie de cada objeto. Obsérvese que la presencia de corriente eléctrica no afecta a las fuerzas electrostáticas ni a la formación de chispas, a la descarga de corona ni a otros fenómenos. Ambos fenómenos pueden existir simultáneamente en el mismo sistema.
Las máquinas de fricción fueron reemplazadas gradualmente con el tiempo por la segunda clase de instrumentos mencionados anteriormente, es decir, las máquinas de influencia . Estas 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 una sola placa que se utiliza para producir desequilibrios de carga eléctrica a través del proceso de inducción electrostática.
El siguiente paso fue cuando Abraham Bennet , el inventor del electroscopio de hoja de oro , describió un " doblador 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, con el fin de hacerla observable en un electroscopio. En 1788, William Nicholson propuso su doblador rotatorio, que puede considerarse como la primera máquina de influencia rotatoria. Su instrumento fue descrito como "un instrumento que al girar un torno produce los dos estados de la 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 las 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 al adaptar un péndulo como una de las placas, impulsado por un mecanismo de relojería o una máquina de vapor; creó el dispositivo para alimentar su telégrafo eléctrico . [7] [8]
Otros, entre ellos T. Cavallo (que desarrolló el " multiplicador Cavallo ", un multiplicador de carga que utilizaba la suma simple, en 1795), John Read , Charles Bernard Desormes y Jean Nicolas Pierre Hachette , desarrollaron otras formas de duplicadores rotatorios. En 1798, el científico y predicador alemán Gottlieb Christoph Bohnenberger describió la máquina de Bohnenberger, junto con varios otros duplicadores de los tipos Bennet y Nicholson en un libro. Los más interesantes de ellos fueron descritos en los "Annalen der Physik" (1801). Giuseppe Belli, en 1831, desarrolló un duplicador simétrico simple que consistía en dos placas metálicas curvas entre las que giraban un par de placas sostenidas por un vástago aislante. Fue la primera máquina de influencia simétrica, con estructuras idénticas para ambos terminales. Este aparato fue reinventado varias veces, por C. F. Varley , que patentó una versión de alta potencia en 1860, por Lord Kelvin (el "reabastecedor") en 1868, y por A. D. Moore (el "dirod"), más recientemente. Lord Kelvin también ideó una máquina combinada de influencia y 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 de Holtz consistía en un disco de vidrio montado sobre un eje horizontal que podía hacerse 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 consistía en 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 mixtas de fricción-influencia, entre ellas la máquina de Kundt y la máquina de Carré. En 1866, se desarrolló la máquina de Piche (o máquina de Bertsch). En 1869, H. Julius Smith recibió la patente estadounidense para un dispositivo portátil y hermético que estaba diseñado para encender pólvora. También en 1869, las máquinas sin sectores fueron investigadas en Alemania por Poggendorff .
La acción y la eficiencia de las máquinas de influencia fueron investigadas más a fondo por F. Rossetti , A. Righi y Friedrich Kohlrausch . EEN Mascart , A. Roiti y E. Bouchotte también examinaron la eficiencia y la potencia 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 de Leyser, una variación de la máquina de 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 la máquina de Toepler-Holtz .
En 1878, el inventor británico James Wimshurst inició sus estudios sobre generadores electrostáticos, mejorando la máquina de Holtz, en una versión potente con múltiples discos. La clásica máquina de Wimshurst, que se convirtió en la forma más popular de máquina de influencia, fue reportada a la comunidad científica en 1883, aunque máquinas anteriores con estructuras muy similares fueron descritas previamente por Holtz y Musaeus. En 1885, una de las máquinas de Wimshurst más grandes de la historia se construyó en Inglaterra (ahora se encuentra en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago ). La máquina de Wimshurst es una máquina considerablemente simple; funciona, como todas las máquinas de influencia, con inducción electrostática de cargas, lo que significa que usa incluso la más mínima carga existente para crear y acumular más cargas, y repite este proceso mientras la máquina esté en funcionamiento. Las máquinas de Wimshurst están compuestas por: dos discos aislados unidos a poleas de rotación opuesta, los discos tienen pequeñas placas conductoras (generalmente metálicas) en sus lados orientados hacia afuera; dos escobillas 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 colectores, que son, como su nombre lo indica, los colectores 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 se han acumulado lo suficiente. La estructura y los componentes simples de la máquina de 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 de Lebiez, que era esencialmente una máquina de Voss simplificada ( L'Électricien , abril de 1895, pp. 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 potente 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 Physical Society después de varios años de investigación sobre máquinas de influencia (que comenzaron a principios de la década). El dispositivo fue reportado más tarde en la Philosophical Magazine (diciembre de 1898, pág. 564) y en Electrical Review (vol. XLV, pág. 748). Una máquina Pidgeon posee inductores electrostáticos fijos dispuestos de una manera que aumenta el efecto de inducción electrostática (y su salida eléctrica es al menos el doble de la de las máquinas típicas de este tipo [excepto cuando está sobrecargada]). Las características esenciales de la máquina Pidgeon son, uno, la combinación del soporte giratorio y el soporte fijo para inducir carga, y, dos, el aislamiento mejorado de todas las partes de la máquina (pero más especialmente de los portadores del generador). Las máquinas Pidgeon son una combinación de una máquina de Wimshurst y una máquina de Voss, con características especiales adaptadas para reducir la cantidad de fugas de carga. Las máquinas Pidgeon se excitan a sí mismas con mayor facilidad que las mejores de este tipo de máquinas. Además, Pidgeon investigó máquinas de sección "tríplex" 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).
Las máquinas de discos múltiples y las máquinas electrostáticas "tríplex" (generadores con tres discos) también se desarrollaron ampliamente a principios del siglo XX. En 1900, F. Tudsbury descubrió que al encerrar un generador en una cámara metálica que contenía aire comprimido , o mejor, 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 y la reducción de la fuga a través de las placas y los soportes aislantes. En 1903, Alfred Wehrsen 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 de Holtz que usaba este disco e inductores incrustados en placas de celuloide (DE154175; "máquina de 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 en los bordes.
El generador de 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 de Van de Graaff, una cinta 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 puntas metálicas. La ventaja del diseño era que, como no había campo eléctrico en el interior del terminal, la carga de la cinta podía seguir descargándose en el terminal independientemente de lo alto que fuera el voltaje en el terminal. Por lo tanto, el único límite al voltaje en la máquina es la ionización del aire junto al terminal. Esto ocurre cuando el campo eléctrico en el terminal excede la rigidez dieléctrica del aire, aproximadamente 30 kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico más alto se produce en las puntas y bordes afilados, el terminal tiene la forma de una esfera hueca lisa; cuanto mayor sea el diámetro, mayor será el voltaje alcanzado. La primera máquina utilizaba como cinta transportadora de carga una cinta de seda comprada en una tienda de todo a diez centavos. 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 acelerador de partículas exitoso, 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 por descomposición 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 usa en medicina y en investigación. También se inventaron otras variaciones para la investigación en física, como el Pelletron , que utiliza una cadena con enlaces conductores y aislantes alternados para el transporte de carga.
Los pequeños generadores Van de Graaff se utilizan habitualmente en museos de ciencias y en la enseñanza de las ciencias 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 de pie sobre un soporte aislado; el alto voltaje carga el cabello de la persona, lo que hace que los mechones sobresalgan de la cabeza.
No todos los generadores electrostáticos utilizan el efecto triboeléctrico o inducción electrostática. Las cargas eléctricas se pueden generar 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 de viento iónico electrostático sin aspas , el EWICON . Está situado cerca de Mecanoo, una firma de arquitectura. Los principales desarrolladores fueron Johan Smit y Dhiradj Djairam. Aparte del viento, no tiene partes móviles. Se alimenta del viento que arrastra partículas cargadas de su colector. [13] El diseño adolece de una eficiencia deficiente. [14]
La tecnología desarrollada para EWICON se ha reutilizado en el molino de viento holandés. [15] [16]
Estos generadores se han utilizado, a veces de forma inapropiada y con cierta controversia, para apoyar 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 la promovió una comunidad suiza, los Methernithans . Testatika es un generador electromagnético basado en la máquina electrostática Pidgeon de 1898, que se dice que produce "energía libre" disponible directamente del medio ambiente.
