Generador electrostático

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 girarse y frotarse con la mano. Es posible que no se girara durante su uso y que no estuviera destinado a producir electricidad (más bien "virtudes cósmicas"), ^{[ 1 ]} pero inspiró muchas máquinas posteriores que utilizaron globos giratorios. Isaac Newton construyó su propio generador electrostático primitivo, siendo el primero en utilizar un globo de vidrio en lugar de uno de azufre. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Alrededor de 1706, Francis Hauksbee mejoró el diseño básico, ^{[ 5 ]} con su máquina eléctrica de fricción que permitía girar rápidamente una esfera de vidrio contra un paño de lana. ^{[ 6 ]}

Los generadores experimentaron un mayor avance cuando, alrededor de 1730, el profesor Georg Matthias Bose de Wittenberg añadió un conductor colector (un tubo o cilindro aislado sostenido por cuerdas de seda). Bose fue el primero en emplear el " conductor primario " en dichas máquinas, que consistía en una varilla de hierro sostenida en la mano por 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 hacía girar varios globos de vidrio, con una espada y un cañón de pistola suspendidos de cordones de seda como conductores primarios. 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. ^{[ 7 ]} Los experimentos con la máquina eléctrica se vieron facilitados en gran medida por la invención de la botella de Leyden . Esta forma temprana del condensador , con recubrimientos conductores a ambos lados del vidrio, puede acumular una carga eléctrica cuando se conecta a una fuente de fuerza electromotriz.

La máquina eléctrica pronto fue mejorada 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, quien añadió una "goma" que consistía en un cojín de material lanoso. El colector, que consistía en 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 espolvoreando una amalgama de estaño sobre la superficie de la goma. ^{[ 8 ]} En 1768, Jesse Ramsden construyó una versión ampliamente utilizada de un generador eléctrico de placas.

En 1783, el científico holandés Martin van Marum, de Haarlem, diseñó una gran máquina electrostática de alta calidad con discos de vidrio de 1,65 metros de diámetro para sus experimentos. Capaz de generar 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 correa de seda que frotaba dos tubos conectados a tierra y cubiertos de piel de liebre. En 1787, Edward Nairne desarrolló un generador electrostático con fines médicos capaz de generar electricidad positiva o negativa; la primera se obtenía del conductor primario que sostenía los puntos de captación, y la segunda, de otro conductor primario que sostenía la almohadilla de fricción. La máquina de Winter presentaba 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 actualmente se encuentra en el Deutsches Museum de Múnich, Alemania). En 1840, se desarrolló la máquina de Woodward , que mejoró la máquina de Ramsden de 1768, colocando el conductor primario sobre el disco o discos. También en 1840, se desarrolló la máquina hidroeléctrica de Armstrong , que utilizaba vapor como portador de carga.

La presencia de un desequilibrio de carga superficial implica que los objetos exhibirán fuerzas de atracción o repulsión. Este desequilibrio, que genera electricidad estática, puede producirse 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 se debe a la fricción; dos superficies no conductoras pueden cargarse simplemente colocándolas una encima de la otra. Dado que la mayoría de las superficies tienen una textura rugosa, la carga tarda más en producirse por contacto que por frotamiento. Frotar objetos aumenta la cantidad de contacto adhesivo entre las dos superficies. Generalmente, los aislantes , es decir, las sustancias que no conducen la electricidad, son buenos tanto para generar como para retener 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 un desequilibrio de carga, pero retienen las cargas solo si están aislados. La carga que se transfiere durante la electrificación por contacto se almacena en la superficie de cada objeto. Cabe destacar 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 coexistir simultáneamente en el mismo sistema.

Con el tiempo, las máquinas de fricción fueron reemplazadas gradualmente por la segunda clase de instrumentos mencionados anteriormente: las máquinas de influencia . Estas funcionan mediante inducción electrostática y convierten el trabajo mecánico en energía electrostática gracias a una pequeña carga inicial que se repone y refuerza continuamente. La primera idea 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 mediante el proceso de inducción electrostática.

El siguiente paso se dio cuando Abraham Bennet , inventor del electroscopio de lámina de oro , describió un « duplicador de electricidad » (Phil. Trans., 1787), un dispositivo similar al electróforo, pero capaz de amplificar una pequeña carga mediante operaciones manuales repetidas con tres placas aisladas, para hacerla observable en un electroscopio. En 1788, William Nicholson propuso su duplicador rotatorio, considerado la primera máquina de influencia rotatoria. Su instrumento se describió como «un instrumento que, al girar un cabrestante, produce los dos estados de la electricidad sin fricción ni comunicación con la tierra» (Phil. Trans., 1788, p.  403). Posteriormente, Nicholson describió un aparato de «condensador giratorio» como un instrumento más adecuado para mediciones.

Erasmus Darwin , W. Wilson, G. C. Bohnenberger y (más tarde, en 1841) J. C. E. Péclet desarrollaron diversas modificaciones del dispositivo de Bennet de 1787. Francis Ronalds automatizó el proceso de generación en 1816 adaptando un péndulo como una de las placas, accionado por un mecanismo de relojería o una máquina de vapor; creó el dispositivo para alimentar su telégrafo eléctrico . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Otros, entre ellos T. Cavallo (quien desarrolló el « multiplicador de Cavallo », un multiplicador de carga mediante suma simple, en 1795), John Read , Charles Bernard Desormes y Jean Nicolas Pierre Hachette , desarrollaron diversas formas de duplicadores rotatorios. En 1798, el científico y predicador alemán Gottlieb Christoph Bohnenberger describió la máquina de Bohnenberger , junto con otros duplicadores de los tipos Bennett y Nicholson, en un libro. Los más interesantes de estos se describieron en los «Annalen der Physik» (1801). Giuseppe Belli , en 1831, desarrolló un duplicador simétrico simple que consistía en dos placas metálicas curvas entre las cuales giraba 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 , quien patentó una versión de alta potencia en 1860; por Lord Kelvin (el "reponedor") en 1868; y por A.  D. Moore (el "dirod"), más recientemente. Lord Kelvin también ideó una máquina combinada de influencia y 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 ".

Máquina Holtz

Entre 1864 y 1880, WTB Holtz construyó y describió un gran número de máquinas de influencia que se consideraban los desarrollos más avanzados de la época. En una de sus formas, la máquina de Holtz consistía en un disco de vidrio montado sobre un eje horizontal que podía girar a una velocidad considerable mediante un engranaje multiplicador, interactuando con placas de inducción montadas en un disco fijo cercano. En 1865, August JI Toepler desarrolló una máquina de influencia que consistía en dos discos fijos en el mismo eje y que giraban en la misma dirección. En 1868, la máquina de Schwedoff tenía una estructura peculiar para aumentar la corriente de salida. También en 1868, se desarrollaron varias máquinas mixtas de fricción e influencia, incluidas 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 diseñado para encender pólvora. También en 1869, Poggendorff investigó las máquinas sin sectores en Alemania .

La acción y eficiencia de las máquinas de influencia fueron investigadas posteriormente por F. Rossetti , A. Righi y Friedrich Kohlrausch . E.N. Mascart , A. Roiti y E. Bouchotte también examinaron la eficiencia y la potencia de generación de corriente de dichas máquinas. En 1871, Musaeus investigó las máquinas sin sector. En 1872, se desarrolló el electrómetro de Righi , 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 berlinés) ideó una máquina que, según él, combinaba los principios de Toepler y Holtz. Esta misma estructura se conoció también como la máquina de Toepler-Holtz .

Máquina de Wimshurst

En 1878, el inventor británico James Wimshurst comenzó sus estudios sobre generadores electrostáticos, mejorando la máquina de Holtz en una versión potente 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 ya habían descrito máquinas anteriores con estructuras muy similares. En 1885, se construyó en Inglaterra una de las máquinas de Wimshurst más grandes jamás construidas (actualmente 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 utiliza 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 se componen de: dos discos aislados unidos a poleas de rotación opuesta, los discos tienen pequeñas placas conductoras (generalmente de metal) en sus lados exteriores; Dos cepillos de doble extremo que sirven como estabilizadores de carga y donde también se produce la inducción, creando las nuevas cargas que se recolectan; dos pares de peines recolectores, que, como su nombre indica, recogen la carga eléctrica producida por la máquina; dos botellas 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 sencillos de la máquina de Wimshurst la convierten en una opción común para experimentos o demostraciones electrostáticas caseras; estas características fueron factores que contribuyeron a su popularidad, como se mencionó anteriormente. ^{[ 11 ]}

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. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Esta máquina es significativamente más potente que la versión con sectores, pero generalmente debe arrancarse con una carga aplicada externamente.

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. ^{[ 14 ]} El primer modelo se presentó en octubre de 1929. En la máquina Van de Graaff, una cinta aislante transporta la carga eléctrica al interior de un terminal hueco de metal aislado de alto voltaje, donde se transfiere al terminal mediante un "peine" de puntas metálicas. La ventaja del diseño radicaba en que, al no existir campo eléctrico en el interior del terminal, la carga de la cinta podía seguir descargándose en el terminal independientemente de la tensión aplicada. Por lo tanto, el único límite de la tensión en la máquina es la ionización del aire junto al terminal. Esto ocurre cuando el campo eléctrico en el terminal supera la rigidez dieléctrica del aire, aproximadamente 30  kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico más intenso se produce en las puntas y bordes afilados, el terminal tiene forma de esfera hueca lisa; cuanto mayor sea el diámetro, mayor será la tensión alcanzada. La primera máquina utilizaba una cinta de seda comprada en una tienda de baratijas como correa de transporte de carga. En 1931, se describió en una solicitud de patente una versión capaz de producir 1.000.000 de voltios.

El generador 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 la ruptura dieléctrica del aire.  Se lograron voltajes más altos, de hasta aproximadamente 25 megavoltios, al encerrar el generador dentro de un tanque de gas aislante a presión. Este tipo de acelerador de partículas Van de Graaff todavía se utiliza en medicina e investigación. También se inventaron otras variantes para la investigación en física, como el Pelletron , que utiliza una cadena con eslabones conductores y aislantes alternados para el transporte de carga.

Los pequeños generadores Van de Graaff se utilizan habitualmente en museos de ciencia y en la enseñanza de la ciencia para demostrar los principios de la electricidad estática. Una demostración popular consiste en 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, haciendo que los mechones se ericen.