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1. OBJETIVOS:
1.1. Objetivo general
Manejar la Máquina de Wimshurst
1.2. Objetivos específicos
Determinar experimentalmente las líneas de campo eléctrico.
Mostrar experimentalmente las diferentes interacciones electrostáticas.
Verificar el poder de las puntas
2. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL
2.1. Máquina de Wimshurst
La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje
desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (
- 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra rotación
(giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas
con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde
saltan las chispas. Se basa en el efecto tribo eléctrico, en el que se acumulan
cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.
2.2. Descripción de la máquina de Wimshurst
Es una máquina electrostática, que crean cargas eléctricas por inducción. En
un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm
Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Las
máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia
imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este
defecto.
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 pinceles. 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.
La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica
externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere
energía mecánica para tornar los discos en contra el 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 y 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 máximo
que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar
mediante la adición de un par de frascos o también llamadas botellas de Leyden,
un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el
interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las
terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una
máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio
del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperios.
2.3. Partes de la máquina de Wimshurst
- El generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico con
placas de estaño, de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal,
paralelamente, y con escasa distancia entre sí.
Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje.
Barra de electrodos, éstas se encuentran conectados con las barras de
electrodos, cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que
se efectúa la descarga de chispas.
Botellas de Leyden.
Interruptor de aislamiento.
Conductor transversal con pinceles de metal. La cara externa de los
discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada
disco, se ha fijado al eje un conductor transversal, giratorio, con dos
“pinceles” de metal, que frotan las hojas de estaño.
- Estribo con escobillas. Para la toma de corriente se emplean dos
escobillas fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento. La
3.7. Cables de conexión
4. METODOLOGÍA
4.1. ADVERTENCIAS DE SEGURIDAD
Descargar el generador electrostático antes de tocarlo
Realizar los experimentos solamente con fuentes de alta tensión que
tengan una corriente de cortocircuito
≤ 15 μA .
4.2. OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS
Los equipos permiten buenos resultados experimentales, solamente si
éstos se realizan bajo condiciones de limpieza y ausencia de humedad
Descargar las piezas de experimentación antes de cada prueba
Se aconseja utilizar un ventilador si existen condiciones climáticas de
humedad
Encajar las piezas de experimentación sobre el soporte y conectarlas
mediante las cadenas de experimentación al generador electrostático.
Tener cuenta las advertencias de seguridad.
4.3. DISPOSICIÓN DE LOS EQUIPOS
Colocar la máquina de Wimshurst como se muestra en la figura 2a
Abrir la maleta que contiene los equipos y proceda a colocarlos sobre la
mesa identificando a cada uno de ellos, como se muestra en la figura 2b
Proceder a realizar los experimentos que se indican a continuación
(a) (b)
Figura 2. (a) Fotografía de una máquina de Wimshurst, (b) El equipo de electrostática
U
4.4. EXPERIMENTOS CON LA MÁQUINA DE WIMSHURST
EXPERIMENTO N° 01. Viento eléctrico
a) Armar la base para experimentos electrostáticos y en ella inserte la
varilla de plástico que posee un extremo metálico.
b) Colocar la punta de la aguja metálica en la parte superior de la varilla.
c) Colocar los electrodos de la máquina de Wimshurst en posición vertical
y con una cadena o con un cable conductor conecte un electrodo de la
máquina con la parte conductora de la varilla que tiene a la punta de
aguja como se muestra en la figura 3a.
d) Colocar en el piso una tabla de madera, sobre ella una plancha de
polímero grueso y encima de esta última otra placa de madera y hacer
que uno de los alumnos suba cuidadosamente sobre la placa de madera y
hacer colocar la palma de la mano en la cercanía de la punta aguzada sin
tocarla como se muestra en la figura 3b y otro de sus compañeros poner
en funcionamiento la máquina haciendo girar el manubrio.
e) Describir la sensación que experimenta el primer alumno.
f) Después de cierto tiempo acerque el dedo meñique del alumno sobre el
soporte al dedo meñique de otro de sus compañeros ubicado en el piso.
¿Qué sensación experimentan ambos?
g) Hacer que el alumno descienda de la plataforma y ahora encender un
cerillo, proceda ahora a acercar éste hacia la punta de la guja. ¿Qué le
sucede a la luz del cerillo? Describir sus observaciones
h) Repetir el proceso anterior pero ahora use una tira de papel muy delgada
a la punta de la aguja. Describir sus observaciones.
d) Hacer girar el manubrio de máquina de Wimshurst. ¿Qué le sucede al
molinete? Registrar sus observaciones
e) Aumente la velocidad de giro del manubrio. ¿Qué le sucede al molinete?
Registrar sus observaciones
f) Ahora deje de girar el manubrio de la máquina de Wimshurst. ¿Qué
observa?
g) Descargar la máquina de Wimshurst uniendo los extremos de sus
electrodos
EXPERIMENTO N° 3. Péndulo doble
a) Instalar el soporte con gancho en el extremo superior de la barra vertical.
b) Del gancho del soporte colgar un péndulo doble de cuerpos de médula de
sauco unidos por un hilo de seda como se muestra en la figura 5b.
c) Con un cable conductor conectar el soporte con gancho a uno de los
electrodos verticales de la máquina de Wimshurst como se muestra en la
figura 5a.
d) Poner en funcionamiento la máquina de Wimshurst para transferir carga
al péndulo doble. Registre lo observado.
Figura 5****. Péndulo doble instalado a la Máquina de Wimshurst
EXPERIMENTO N° 4. Clavija de conexión en pantalla de seda
a) Colocar la clavija de conexión en pantalla de seda en el extremo superior
del soporte vertical.
b) Con el cable de conexión conectar la clavija a uno de los electrodos
verticales de la máquina de Wimshurst como se muestra en la figura 6,
c) Poner en funcionamiento la máquina de Wimshurst para transferir carga
a la clavija de conexión en pantalla de seda. ¿Qué observa? Registrar sus
observaciones
Figura 6. Clavija de conexión en pantalla de seda instalada a la máquina de
Wimshurst
EXPERIMENTO N° 5. Juego de campanas
a) Colocar el juego de campanas en el extremo superior del soporte
vertical.
b) Con dos cables de conexión instalar el juego de campanas a cada uno de
los electrodos verticales de la máquina de Wimshurst como se muestra
en la figura 7a.
Figura 8****. Tablero de destellos instalado a la Máquina de Wimshurst
EXPERIMENTO N° 7. Danza eléctrica.
a) Instalar el tablero de base circular en el extremo superior del soporte
vertical.
b) Depositar sobre el tablero con base un conjunto de cuerpos de médula de
sauco (de 3 a 5 unidades)
c) Colocar encima la cubierta con electrodo esférico invertida como se
muestra en la figura 9b.
d) Con los cables de conexión conectar el equipo a cada uno de los
electrodos verticales de la máquina de Wimshurst como se muestra en la
figura 9a.
Figura 9****. Equipo utilizado para verificar la danza eléctrica
e) Poner en funcionamiento la máquina de Wimshurst y aumentar
lentamente la cantidad de carga suministrada, hasta que los trozos de
médula de sauco empiecen a bailar.
f) Interrumpir el suministro de carga y observar lo que les sucede a los
cuerpos de médula de sauco.
5. Observaciones de cada experimento:
5.1. Viento eléctrico
Primero se siente como una corriente de aire y una carga que va
subiendo por la mano y cuando mi compañera me toca con el dedo se
siente una descarga al contacto. Lo mismo pasa cuando se realiza una
especie de cadena humana al momento del contacto a todos les da una
descarga eléctrica.
5.2. Molinete eléctrico
Cuando se comienza a girar el manubrio de la máquina Wimshurst. El
molinete empieza a girar en sentido anti horario. Después dejamos de
girar el manubrio, observamos que empieza a girar con mayor rapidez,
se siente un campo eléctrico mínimo. También es un poco perceptible el
sonido pequeñas descargas.
5.3. Péndulo doble
Cuando se inicia a girar el manubrio de la máquina Wimshurst, los
cuerpos de la medula de sauco inician a separarse demostrando así que
tienen cargas iguales por eso se repelen.
5.4. Clavija de conexión en pantalla de seda.
Al poner en funcionamiento la máquina Wimshurst para transferir carga
a la clavija de conexión en pantalla de seda se observó que cada una de
las fibras se fueron cargando y empiezan a repelerse.
5.5. Juego de campanas
Al comenzar a girar el manubrio de la máquina Wimshurst empiezan a
sonar las campanas esto debido a que al conectar los dos polos
generamos cargas distintas una positiva y otra negativa formando una
Empieza a girar en sentido antihorario. Esto es debido a que el
molinete está conformado por puntas ahí se acumulan las energías de
igual carga eso hace que tenga movimiento.
2. ¿Qué le sucede al molinete cuando se le suministra mayor cantidad de
carga con la máquina de Wimshurst?
Comienza a formar un campo eléctrico por eso comienza a girar
más rápido.
3. ¿Explique el poder de las puntas? ¿Cuál es la aplicación más importante
del poder de las puntas?
La electricidad se acumula allí, y, como las moléculas eléctricas
se rechazan mutuamente, tenderán a escaparse por la punta, como la
experiencia, en efecto, lo comprueba, cuando la carga de electricidad es
poderosa. En virtud de este poder de las puntas, es imposible electrizar
de una manera permanente los cuerpos aguzados, pues, a medida que se
le va comunicando la electricidad, va ésta venciendo la resistencia del
aire y escapándose del cuerpo.
El llamado poder de las puntas se aplica en el diseño conveniente
de los pararrayos. La descarga eléctrica entre las nubes y la Tierra se
hace hacia la punta metálica más cercana que es el pararrayos, y con
eso se evita su caída a otros lugares
4. ¿Por qué sigue girando el molinete cuando se interrumpe la corriente?
Porque la corriente eléctrica que se formo es fuerte y tiene que ir
descargándose.
5. ¿Cómo influye la humedad en el desarrollo de esta experiencia?
A mayor nivel de humedad mayor capacidad de disipación de las
cargas acumuladas en personas u objetos.
Experimento 03. Péndulo doble
1. ¿Qué le sucede al péndulo doble cuando se le suministra carga con la
máquina de Wimshurst? Explique
Las medulas de sauco empiezan a separarse esto se debe a que
las estamos cargando con energía de la misma carga por eso se repelen.
2. ¿Qué le sucede al péndulo doble cuando se le suministra mayor
cantidad de carga? Explique su respuesta.
Al suministrar mayor cantidad de carga se produjo descarga
eléctrica y no ocurrió nada con el péndulo doble.
3. ¿El péndulo doble es un electroscopio simple? Explique su respuesta.
Sí, porque al igual que el electroscopio permite conocer si un
cuerpo está cargado o no.
4. ¿Cómo influye la humedad en el desarrollo de esta experiencia?
A mayor nivel de humedad mayor capacidad de disipación de las
cargas acumuladas en personas u objetos.
Experimento 04. Clavija de conexión en pantalla de seda
1. ¿Qué le sucede a cada uno de los papeles de seda del plumero cuando se
le suministra carga con la máquina de Wimshurst? Explique su
respuesta
Cada fibra se va cargando por eso se paran, esto debido a que los
cargamos a cada una con cargas de mismas magnitudes y signos por eso
ocurre una fuerza eléctrica de repulsión.
2. ¿Qué le sucede a cada uno de los papeles de seda cuando se le suministra
mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst? Explique su
respuesta
Al suministrarle mayor carga se observó que las fibras de seda se
repelen con mayor intensidad.
3. ¿La clavija de conexión en pantalla de seda puede considerarse como un
electroscopio simple?
Sí es un electroscopio simple, porque nos ayuda a determinar si
un cuerpo está cargado o no, en este caso cada fibra de seda se cargó del
mismo signo y, por ende, tendían a repelerse.
4. ¿Qué sucedería si Ud. remplaza al papel de seda por trozos de hilo de
seda?
También se separarían
Experimento 05. Juego de campanas
Ayudaría como señales de advertencia en caso de que se pueda
producir un accidente, que con un simple chispazo podríamos deducir
que algo anda mal, prevención.
4. Use la teoría para explicar cómo se genera el destello entre las láminas
de los conductores
La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de
cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica
del aire alcanza una chispa.
Experimento 07. Danza eléctrica.
1. ¿Qué le sucede a cada uno de los cuerpos de médula de sauco cuando se
suministra carga con la máquina de Wimshurst? Explique y justifique
su respuesta
Como la carga es de la misma polaridad, el tablero de la base
repele los cuerpos de la médula de sauco y estos adoptan la carga
contraria cuando se aproximan a los electrodos esféricos.
2. ¿Qué le sucede a cada uno de los cuerpos de médula de sauco cuando se
le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst?
Explique y justifique su respuesta
Al suministrarle mayor carga los cuerpos saltan aún más debido
a que la fuerza de atracción es mayor entre las medulas del sauco y la
cubierta con electrodo esférico.
3. ¿Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco cuando se
deja de hacer funcionar la máquina de Wimshurst? Explique y
justifique su respuesta.
Caen de nuevo y el proceso vuelve al inicio, a pesar de que el
suministro de energía se interrumpió; ya que hay suficiente carga
residual.
4. ¿Por qué cree Ud. que para esta experiencia se usa cuerpos de médula
de sauco? Explique y justifique su respuesta
Por ser un material muy ligero y cumple la función de un
electroscopio, es decir es utilizado para detectar las cargas que poseen
un cuerpo debido a la atracción o repulsión que experimente dichos
cuerpos.
7. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
7.1. CONCLUSIONES
7.1.1. Conclusión general
Se aprendió teórica y prácticamente la función y el uso de la máquina
de Wimshurst que es un generador electrostático de alto voltaje. Y nos
ayudó en la comprensión de las distintas interacciones electrostáticas
7.1.2. Conclusiones específicos
Gracias a los experimentos como de la clavija conectados a hilos de
ceda se demostró asertivamente la existencia de las líneas de los campos
eléctricos.
Con los hilos del plumero de ceda podemos apreciar cómo están
formados las líneas del campo eléctrico.
La máquina de Wimshurst que es un generador electrostático de alto
voltaje que puede cargar positivamente y negativamente acode con lo
que se desea.
El poder de las se trata de un efecto físico que se produce por la
acumulación de energía en las partes puntiagudas de un cuerpo. Y
pudimos comprobarlo por los experimentos 1 y 2 Viento eléctrico y
Molinete eléctrico respectivamente.
7.2. SUGERENCIAS
Descargar el generador electrostático antes de tocarlo
Antes de ingresar al laboratorio venir leyendo el manual de práctica para
agilizas la práctica.
Maniobrar con cuidado los materiales y equipos para evitar accidentes o
daños materiales
