Construccion y funcionamiento de una maquina de wimshurts

7/22/2019 Construccion y funcionamiento de una maquina de wimshurts

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDICIPLINARIA

DE INGENIERIAS CAMPUS ZACATECAS

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

JULIO CESAR FLORES URBINA

PROYECTO FINAL

MAQUNA DE WIMSHURST

JOSE DE JESUS FELIX RODRIGUEZ

30 DE NOVIEMBRE DE 2013



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Resumen

La máquina de Wimshurst es un dispositivo electromecánico, que aplica las leyes

relacionadas con el campo eléctrico, esta es capaz de producir energía eléctrica a

través de la fricción entre escobillas y sectores de aluminio, almacenándola en un

par de botellas de Leyden, cuando estas no pueden almacenar más energía, se

produce una descarga siendo visible un arco eléctrico de variada longitud producido

entre las terminales de los capacitores, acompañado de un ruido característico de

los arcos eléctricos.

Introducción.

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 que giran solidarios montados

verticalmente, dos barras cruzadas con escobillas metálicas, y dos esferas de metal

separadas por una distancia variable donde saltan las chispas. Se basa en el efecto

triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se

frotan entre sí, cabe destacar además que se puede considerar un generador de

electricidad que alcanza voltajes del orden de los Kv y unos cuantos µA. de la

misma manera se hablara de manera detallada sobre la construcción de una

máquina de Wimshurst

Marco teórico

La triboelectricidad y la inducción electroestática

Este tipo de máquinas basan su funcionamiento en el fenómeno de la

triboelectricidad, palabra derivada del griego "tribein" (frotar) y "electron" (ámbar),

que se refiere de forma general a la electricidad producida por frotamiento entre

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http://es.wikipedia.org/wiki/Voltaje

http://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unido

http://es.wikipedia.org/wiki/James_Wimshurst

http://es.wikipedia.org/wiki/1832


http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_triboel%C3%A9ctrico






http://es.wikipedia.org/wiki/James_Wimshurst

http://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unido

http://es.wikipedia.org/wiki/Voltaje

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materiales de distinta naturaleza. Hoy en día se sabe que se debe a la distinta

facilidad que tienen los materiales para retener los electrones situados en su

superficie, de tal forma que al frotar dos elementos distintos algunos electrones del

menos retentivo pasarán inevitablemente al otro, dándole así a cada material una

polaridad, ya sea negativa o positiva, por el cambio en los electrones ya se por

perdida o ganancia de los mismos.

James Wimshurst

James Wimshurst (13 de abril de 1832- 03 de enero de 1903) fue un inventor,

ingeniero y carpintero de barcos inglés. A pesar de que no patentó ninguno de sus

diseños ni mejoras para sí mismo, el perfeccionamiento que produjo en el generador

electrostático, han hecho que este adquiera por excelencia el nombre de Máquina

de Wimshurst.

Wimshurst nació en Poplar, Inglaterra y era el hijo de Henry Wimshurst, un

constructor de barcos del Muelle de Ratcliffe Croos. Wimshurst se educó en

Steabonheath House en Londres donde, posteriormente, devino aprendiz de James

Mare en la fundición Thames hasta 1853. En 1865, se casó con Clara Tribble. En

1865, después de que fuera enviado a Liverpool, pasó a trabajar en la aseguradora

de aquella ciudad. En 1874, se enroló en la Cámara de Comercio como "supervisor

jefe carpintero de barcos" en Lloyds. Posteriormente, en 1890, devino representante

de la Cámara de Comercio en una conferencia internacional en Washington.

Wimshurst dedicó gran cantidad de su tiempo libre a trabajos experimentales.

Además de su actividad en el campo de la electricidad, inventó una particular bomba

de vacío, un instrumento para indicar la estabilidad del barco y varios métodos para

la conexión a tierra de la corriente eléctrica. En 1878, empezó a experimentar con

http://es.wikipedia.org/wiki/Washington_D._C.

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los impulsos eléctricos que generaban ciertas máquinas con propósitos lúdicos y

científicos. Comenzando ya en 1880, se interesó en gran cantidad por las máquinas

electrostáticas de inducción. Su casa de Clapham, Inglaterra, disponía de un amplio

taller en el cuál se disponía de numerosas herramientas y aparatos que posibilitaban

la iluminación eléctrica. Wimshurst fabricó de los conocidos como generadores

electrostáticos, como los ideados por W Nicholson, F.P. Carré y W.T.B Holtz.

Wimshurst realizó algunas modificaciones a los de los mencionados, resultando lo

que se conoce como la Máquina de Holtz-Wimshurst.

Poco después, Wimshurst desarrolló una "máquina dúplex". El diseño consta de dos

discos rotando en sentidos opuestos, con sectores metálicos de conducción en cada

una de sus superficies. Comparado con las de sus predecesores, está máquina era

menos sensible a las condiciones atmosféricas y no requería ser alimentada con

otro tipo de corriente. Este tipo de máquina fue, además, mejorada por otros

diseñadores (como la máquina Pidgeon desarrollada por W. R. Pidgeon, la cual

incrementaba el efecto de inducción y la salida eléctrica). En 1882, Wimshurst

desarrolló la "Máquina Cilíndrica". Para 1883, sus mejoras en el generador

electrostático permitieron al aparato ser conocido como la máquina de Wimshurst.

En 1885, una de las más grandes máquinas de Wimshurst se construyó en

Inglaterra.

Wimshurst se convirtió en miembro de la Institución de Ingenieros Eléctricos en

1889. En 1891, publicó una máquina que generaba alta tensión mediante corriente

alterna. En 1896, se encontró un nuevo uso para sus máquinas de múltiples discos

(más de ocho) en el generador de rayos Roentgen para radiografías y

electroterapia. Por esta contribución a la ciencia médica, fue nombrado miembro de

la Royal Society en 1898.



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Murió en Clapham, Inglaterra, a la edad de 70 años.

Máquina de Wimshurst

Esta máquina pertenece a una clase generadores, que crean cargas eléctricas por

inducción electrostática.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal

giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de

metal y por sus escobillas. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y

almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la

superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y

conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la

acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura

dieléctrica del aire alcanza una chispa.

Solo requiere energía mecánica para girar los discos en contra del campo eléctrico,

y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la

máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es

proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación.

El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje máxima

que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar

mediante la adición de un par de jarras Leyden.

Partes de una máquina de Wimshurst

Esta fue una parte problemática de ubicar dentro del reporte, existe el dilema sobre

si explicar primero como funciona o decir las partes que conforman el dispositivo,



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creo que la mejor manera de abordar el tema es explicando las partes que necesita

el dispositivo. (Basado en mi dispositivo)

Base de madera: para poder fijar los mecanismos que accionan el dispositivo, esta

está conformado de 3 piezas, a grandes rasgos se puede decir que son 1 rectángulo

con dos trapecios ensamblados de manera simétrica.

Discos: de material aislante, en este caso se utilizaron discos de acrílico con una

medida de 29 cm de diámetro se usaran para fijar en ellos los sectores de aluminio.

Sectores: son las piezas de aluminio de lata de refresco, recortados en forma de

lágrima, donde gracias a la fricción con las escobillas se obtendrá electricidad,

deben pegarse de manera simétrica, la forma de los sectores puede ser de suma

importancia.



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Jarras de Leyden son un tipo de condensador, se usan para almacenar energía

dentro de ellos, formados por dos capas de metal separadas por un material

dieléctrico.

Escobillas: se usa alambre para colocarlo en los extremos de las superficies que

deben estar en contacto con otras piezas, por ejemplo las barras neutralizadoras y

los colectores.

Colectores. Hechos de metal, en forma de u, sirven para recolectar la energía

producida en los sectores, van conectados a las jarras de Leiden, existen dos

variantes, pueden estar separados de los discos una distancia determinada o

pueden estar en contacto directo con los discos.

Varilla roscada: se usa para fijar las jarras de Leyden en su sitio, sostener los

colectores y conexión de las varillas terminadas con una esfera sólida para ver la

chispa.

Barras neutralizadoras: se usa lámina, o varilla del mismo largo que el diámetro de

los discos, y se les coloca escobillas en los extremos para hacer contacto con los

sectores. Se colocan en un rango de 45 a 70 grados.

Esferas de explosor: esferas solidas de metal, es donde se aprovecha el principio de

puntas, para la chispa.

Mecanismo de movimiento de los discos: Está formado por una manivela, 2 ejes

colocados de manera horizontal, a una distancia mayor que el radio de los discos, 4

poleas y 2 bandas, se debe resaltar que el uso de las poleas debe lograr que giren

en sentidos opuestos los discos.



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El funcionamiento de una máquina de Wimshurst

El funcionamiento de la máquina de Wimshurst, de debe al fenómeno triboeléctrico y

que como ya se había mencionado anteriormente consiste en el frotamiento o

fricción que existe entre las escobillas y los sectores, después al pasar los sectores

muy próximos a los colectores la energía se va acumulando poco a poco en las

jarras de Leyden hasta que estas ya no pueden seguir almacenándola y se produce

un efecto de descarga visible con un arco y sonido lo anterior se debe al impulso

dado a los discos mediante energía mecánica a través de la manivela.

A continuación se muestra un diagrama sobre el movimiento e influencia de las

cargas en los discos de una maquina de Wimshurts, donde se puede apreciar una

posible polaridad que esta puede obtener



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Además, las esferas solidas de las puntas de los terminales, ayudan a reducir el

principio de puntas , ya que si estas no estuvieran se descargaría más pronto y no

podríamos observar la gran elevación de voltaje que se produce entre estas

terminales, almacenando la carga durante más tiempo.

Cabe destacar que a menos de que realicen mejoras como agregar otra fuente de

tensión para polarizarlo siempre de la misma manera, ya que esta puede cambiar de

polaridad entre un uso y otro.

Creación de una máquina de Wimshurts

Lista de materiales utilizados.

Acrílico

Cable (calibre 6)

Madera

Aluminio, (latas, láminas)

Varilla roscada (distintos calibres)

Tornillería (tornillos, tuercas, rondanas, rondana de presión)

Bandas

Poleas

Herramientas utilizadas

Sierras (recta, angular, caladora, de banco)

Esmeril

Taladro (manual, de banco)



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Después se procedió a ensamblar las piezas en su sitio cuidando guardar en lo más

posible la simetría del mismo utilizando Resistol de carpintería y pistola de clavos.

Construcción de los discos con sectores.

Para los discos se utilizó una placa de acrílico, en un principio se creí que harían un

buen trabajo en la vidriería, pero no fue así, me entregaron dos óvalos mal cortados,

no fue una opción dejarlos así, se recurrió a el accesorio de corte del Dremel, para

ser precisos un disco de corte de 1/64 de pulgada, entre más delgado mejor, porque

si este es más grueso antes de cortar se comienza a quemar el material. Buscando

perder el menos material posible, se lograron dos discos de 29 cm de diámetro.

Una vez cortados los discos y tomado medidas, se utilizó la herramienta de trabajo

Solidworks para diseñar la plantilla y poder pegar con facilidad en el lugar adecuado

los sectores. También se puede optar por usar un transportador y medir los ángulos

que le corresponden a cada sector es considerable decir que es el camino menos

viable, pero hay que mencionarlo. Una vez puesto el disco sobre la plantilla se

pegaron los sectores en su sitio con Resistol fuerte finalmente para terminar los

discos, se perforo con un taladro de banco a la medida del eje.



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Sectores de aluminio

Se hace una plantilla en forma de lágrima, para plasmarla sobre láminas de

aluminio, que se pueden obtener de latas. Y se recortan cuidadosamente, después

de recortadas, existe la necesidad absoluta de lijarlo, porque las latas llevan un

recubrimiento que resulta ser aislante y perjudicial para nuestro propósito.

Poleas

Las poleas, son las piezas difíciles de encontrar, existen varias opciones,

maquinarlas en el torno, sean del material que sean, los recomendados son madera,

plástico, pero puede ser de cualquier material que sirva para el fin. En mi caso

utilice poleas de aluminio de diversos electrodomésticos comunes como lavadoras y

máquinas de coser, pero sin remedio alguno, al no ser precisamente hechas para

terminar en una máquina de Wimshurst terminaron pasando por el taladro para

poder ser acopladas en los ejes y en los discos.



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Barras neutralizadoras y colectores.

Utilizando lamina de aluminio, el proceso para realizar ambas piezas fue muy

similar, lo único que cambia es el diseño que hay que recortar con ayuda de un

esmeril o pinzas de corte, en el caso de las barras, se cortaron dos tramos largos de

40 * 2 cm, se les hizo un doblez al final y se le soldaron las escobillas con cautín,

trabajo no recomendado es casi imposible soldar con cautín en una lámina de

aluminio lo que se hizo fue taladrar los extremos insertar el alambre y rellenar el

hueco con soldadura, para los colectores, se trazó una U con un rectángulo en un

extremo para sujetarlo a las jarras de Leyden.

Jarras de Leyden.

Creo que esta es la parte más sencilla, pero a la vez complicada se pueden hacer

prácticamente a partir de cualquier objeto, mientras que podamos tener dos placas

separadas por un dieléctrico, en mi caso fue bastante satisfactorio usar latas de

desodorante, porque se pueden usar con dos funciones, primero como armadura

interna de la jarra de Leyden y además por tener una buena resistencia se pueden



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atornillar perfectamente sin miedo a romperlas o deformarlas, las jarras de Leyden

como ya se mencionó están compuestas de dos placas con forma cilíndrica

separadas por un material dieléctrico, en este caso la armadura interna es el

aluminio del bote, la armadura externa es papel aluminio del que se usa en la

cocina, y el material dieléctrico se usó plástico del que se usa para engargolar.

Cabe destacar que el punto importante de las jarras de Leyden, es que no deben

estar aisladas con madera, se debe de usar de preferencia acrílico como base para

los mismos y además el puente entre las jarras debe ser entre las armaduras

externas. De lo contrario no harán su función.



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Ejes y mecanismo de la máquina.

Los ejes donde actúa el mecanismo que hace girar los discos están basados en una

manivela soldada al eje inferior, en el eje inferior se colocaron dos de las poleas con

tuercas, se introdujeron las bandas y el eje se dejó instalado ya en su lugar

definitivo, para el segundo eje se necesita un poco más de cuidado, necesitamos

medir la distancias en las que queda nuestro sistema para que los discos queden en

el centro, y no quede nada forzado pudiendo ocasionar que las bandas se salgan de

lugar, los bujes y las tuercas pueden ayudar a colocar en el lugar exacto cada pieza,

las poleas del eje superior se fijaron con tornillos a los discos, después de

ensamblar el eje sin olvidar que la distancia entre los discos debe ser bastante

pequeña, y colocarlo en su sitio se montaron las bandas, para finalizar cabe

destacar que una de las bandas debe de esta cruzada y como las poleas no están

fijas al eje, se logra que el mecanismo funcione correctamente con los discos

girando en sentidos opuestos.

Barras con esferas del explosor

Estas se realizaron con tornillos largos, a los cuales se le acoplaron esferas solidas

de latón previamente maquinadas para poder enroscar el tornillo y dejarlas fijas,

después de fijaron con ayuda de alambre a los soportes de las jarras de Leyden.



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Ensamble final.



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Conclusiones

La construcción de una maquina de Wimshurts deja muchas experiencias, quizás no

todas fueron bonitas, pero al final fue gratificante, la falta de herramientas de trabajo

nos hacen depender del tiempo y disponibilidad de otras personas, además algunas

piezas son complicadas de conseguir, lo mejor es reciclar las piezas de aparatos de

uso cotidiano, la construcción de la maquina necesita tiempo dedicación y un poco

de estudio respecto a la maquina, pues no se puede tratar de copiar siquiera una

manual en internet, es mucha suerte si después de copiar todo al pie de la letra

esta funciona, porque siempre hay detalles que se nos pueden pasar o simplemente

se toman por obvios para el autor que quizás ya hizo un estudio exhaustivo al

respecto.

El funcionamiento y eficiencia de la maquina de Wimshurts dependen de tomar en

cuenta todos los aspectos, un buen aislamiento de los elementos que la conforman,

la simetría, la forma de los sectores, las jarras de Leyden los electrodos, además de

las inclemencias del clima, suele fallar si es un día muy húmedo.

La máquina tiene distintas aplicaciones dentro de la electroestática, de manera

práctica podemos separar los electrodos, colocar caimanes a distintos elementos y

observar cosas como un reguilete de metal girando debido al campo eléctrico

producido, una flama que se mueve debido a la perturbación del campo eléctrico a

su alrededor, o hasta una pelotita de ping pong (cubierta de aluminio) que rebota

entre dos laminas aisladas de la superficie y conectadas a las terminales de las

jarras de Leyden, en una de las láminas la pelotita pierde electrones y en la otra los

recupera repitiendo el ciclo mientras la maquina este en uso.

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