Máquinas eléctricas
738. Máquinas eléctricas.—
Son aparatos destinados á producir electricidad estática. Se dividen en dos grupos: 1.º Máquinas de frotamiento; y 2.º Máquinas de inducción ó reproductores eléctricos. Rigurosamente hablando, en las máquinas llamadas de frotamiento se utiliza también la inducción producida en los conductores, y en las de inducción la carga se inicia por el frotamiento; sin embargo, en las de cada clase la acción preponderante corresponde al nombre con que se las designa.
739. Máquina eléctrica.—
Otón do Guericke, inventor de la máquina neumática, tuvo la feliz idea de producir por el frotamiento cantidades considerables de electricidad, valiéndose de una gran esfera de azufre que daba vueltas por medio de un manubrio, teniendo aplicada sobre ella la mano del experimentador. Esta máquina eléctrica rudimentaria, por sucesivas modificaciones, se ha transformado en la máquina de disco, usada todavía en los gabinetes de Física.
740. Máquina eléctrica de Ramsden.—
Consta esta máquina (fig. 377) de un disco de vidrio que gira y se electriza al frotar entre almohadillas de badana, desarrollando por inducción la electricidad en dos cilindros de latón aislados por pies de vidrio S. A fin de descargar los conductores cilindricos de la electricidad negativa, se disponen, comunicando con ellos, unos arcos metálicos, el peine P, que abrazando el diámetro horizontal del disco, dirigen hacia el mismo una fila de puntas. Todo el aparato descansa sobre una banqueta de madera, y por lo tanto, el montante donde se fijan las almohadillas y se apoya el eje metálico, que atraviesa el disco por su centro, terminando en un manubrio.
741. Explicación de la carga.—
La electricidad positiva que adquiere el disco de vidrio por el frotamiento, descompone por influencia la electricidad de los conductores, quedando la del mismo nombre en la parte más distante de aquéllos y la electricidad negativa sale por las púas del peine y neutraliza la contraria que tiene el disco, cuyo efecto continúa mientras gira, constituyendo un manantial constante de electricidad si la rotación es uniforme.
742. Límíte de la carga.—
Cualquiera que sea la máquina y la rapidez con que gire el disco, se comprende que ha de haber un limite, pasado el cual las electricidades separadas por el frote volverán á recombinarse, sin que pueda haber inducción sobre los conductores. No obstante, en igualdad de las demás condiciones, la cantidad desarrollada será independiente de la presión del. disco, proporcional á la velocidad del mismo y al área que experimenta la fricción.
Influye también la naturaleza del vidrio, que debe retener poco la humedad, asi como suele recubrirse la badana de las almohadillas con oro musivo (bisulfuro de estaño), ó bien con una amalgama de este metal, lo cual activa la producción de electricidad; y para conseguir el mayor efecto de esta máquina, conviene la perfecta comunicación do las almohadillas con el suelo; pues si bien se establece por el montante de madera, será preferible poner una cadena atada á un árbol ú otro objeto que penetre en la tierra. Sobro todo debe procurarse el buen aislamiento de los conductores á fin de que la electricidad no se escape por los pies de vidrio en donde se deposita la humedad del aire ambiente, y según dijimos (707) también se hacen buenos conductores por esta causa. De aquí la necesidad de desecar bien los pies aisladores frotándolos con una bayeta caliente y aun de poner en su proximidad braseros que desequen el aire, si ha de funcionar la máquina cuando la atmósfera está saturada de vapor acuoso.
743. Gasto ó flujo eléctrico.—
Si se pone en comunicación con el suelo los conductores de la máquina eléctrica se van descargando á medida que se desarrolla la electricidad, y pasa por el alambre un verdadero flujo eléctrico á que se da el nombre de gasto; de un modo análogo que recibe este nombre la cantidad de liquido que se vierte por un orificio (256).
Asi como el gasto de un liquido depende de la altura de su nivel sobre el orificio de salida, el gasto eléctrico depende de la diferencia de potencial entre el conductor de la máquina y el del suelo, con el que hemos supuesto se establece la comunicación mediante el alambre: si la máquina tuviera dos polos ó conductores con electricidades contrarias, podrán ponerse éstos en comunicación y el gasto se apreciaría del mismo modo y su diferencia de potencial seria la causa determinante del mismo.
Mascart ha ejecutado algunos experimentos acerca del gasto de las máquinas eléctricas, intercalando entre el conductor de la máquina y el suelo una botella electrométrica de Lane (figura 378) (1) cuyas armaduras terminan en dos esferitas m n que pueden aproximarse y aun se mide la distancia que las separa haciendo girar un tornillo micrométrico. Las leyes del gasto se deducen contando el número de chispas que saltan entre las dos esferitas en un tiempo dado, habiéndose encontrado (742):
1.°, que el gasto es independiente de la presión ejercida entré el disco y las almohadillas; 2.º, que es directamente proporcional á la velocidad de rotación, con tal de que ésta no baje de cierto límite; 3.°, aumenta con la diferencia de potencial, si bien no proporcionalmente á la misma.
744. Modificaciones. —
Ordinariamente se obtiene electricidad positiva con la máquina de disco; mas puede sacarse la electricidad negativa dol montante y aun de la meseta de madera apoyando sus cuatro pies sobre vasos de vidrio y poniendo en comunicación con el suelo los conductores mediante una cadena metálica; pero siendo molesta la operación y débil la carga producida, se idearon otras maquinas como la de Van Marum para obtener á nuestro arbitrio una ú otra especio de electricidad; así como igualmente la de Nairne, que daba simultáneamente las dos electricidades, haciendo girar un cilindro hueco de vidrio puesto entre dos conductores, uno de los cuales tenia las almohadillas y recogía electricidad negativa, y el otro presentaba las púas para cargarse con la positiva: saltan las chispas entre dos arcos metálicos terminados en esfera que podrían aproximarse mas ó menos partiendo del conductor respectivo. Estas y otras maquinas sólo deben citarse como recuerdo histórico, por haberse sustituido con ventaja con las máquinas modernas, y porque su carga es inferior á la de Ramsden.
745. Electróforo. —
Consiste en un disco mal conductor y otro metálico aislado, generalmente de igual ó poco menor diámetro, que se carga varias veces con la electricidad contraria á la desarrollada por frotamiento sobre el primero. El electróforo es, por lo tanto, la máquina eléctrica más sencilla, que tiene además la ventaja de dar chispas pequeñas durante varios días cuando el aire está muy seco.
Ordinariamente se construye moldeando una torta de pez y resina mezcladas (2) sobre una caja cilindrica de madera B (figura 379) parecida á las del mazapán; el disco conductor A es de madera, recubierto con una hoja de papel de estaño, y lleva un mango aislado de vidrio.
Carga.—
Para usar esta máquina se frota la resina con una piel de gato; poniendo encima el disco metálico se apoya el dedo mojado en la cara superior del mismo, y separando la mano antes de levantarle, cogido por el mango de vidrio, queda cargado de electricidad positiva, que puede dar una pequeña chispa cuantas veces se repita la misma operación. Se observa que si el molde de la torta es de metal, en vez de madera, son mayores las chispas obtenidas, y esto obliga á dar una explicación más completa de los fenómenos, que la expuesta ordinariamente.
Teoría.—
La frotación electriza negativamente la resina en la cara superior de la torta, y positivamente, á causa de la polaridad de los aisladores, la cara inferior, si no fuera por apoyarse en un disco conductor en comunicación con la tierra, lo cual deja más libre acción á la electricidad negativa para obrar sobre el disco movible, que al apoyar el dedo permite el paso de su electricidad negativa al depósito común, y en él se acumula la positiva en cantidad igual á la contraria de la resina sin combinarse con ella. Levantamos el disco y sacando una chispa se descarga; pero la torta resinosa conserva su electricidad para repetir las cargas en número indefinido, como no fuera por las pérdidas que necesariamente se producen.
746. Continuidad de su acción en los electróforos giratorios.—
Se concibe desde luego, disponiendo un electróforo con su disco metálico, que se aproxime y que se desvíe rápidamente - v. gr., dándole un movimiento rotatorio, de modo que en ciertas posiciones se cargue y se descargue sucesivamente en otras, - que pudiera obtenerse una máquina eléctrica, la cual sólo exigiría un frotamiento inicial, originando grandes cantidades de electricidad, resultante de la transformación directa de la energía mecánica empleada en la rotación del disco. Este razonamiento, que ahora parece sencillo, ha necesitado más de medio siglo en arraigar en los entendimientos y dar sazonados frutos, desde que Volta inventó el electróforo, hasta que Holtz y otros físicos han construido las máquinas eléctricas del nuevo sistema, que reemplazan con gran ventaja á las de simple fricción.
747. Reproductor de cargas ó cargador de Thomson. —
El más sencillo de estos electróforos giratorios ó reproductores eléctricos fué ideado por Thomson, y se reduce á dos láminas metálicas aisladas, correspondientes a un mismo cilindro y separadas por dos aberturas diametralmente opuestas. Alrededor del eje del cilindro puede girar una varilla de ebonita, terminada por dos láminas metálicas (fig. 380) l y l', que en cada vuelta tocan á los resortes r, s, r' S', dos de los cuales, el r y el r', están unidos á las láminas P y N y los otros S y S' se hallan aislados del resto del aparato, pero comunicando entre si por medio del alambre a.
Si suponemos con una pequeña carga inicial de electricidad positiva la armadura P y la lámina l en contacto con S, la electricidad positiva de P, por inducción, carga de electricidad negativa á l y lleva á través del alambre la positiva á l', y al primer cuarto de vuelta tocará l a r', cediendo su electricidad negativa á N, al mismo tiempo que l' toca á r. Al ocupar de nuevo la varilla la posición SS' en las vueltas sucesivas, ejercen su influencia las dos armaduras P y N, aumentando las cargas do l y l', cuyo exceso transmiten á P y N, que teóricamente recibirían una carga indefinida, si no estuviera limitada por las pérdidas de electricidad, por el aire y por los soportes.
748. Máquina de Holtz. —
Consta de dos discos de vidrio dispuestos paralelamente, fijo y aislado el uno, que tiene dos aberturas ó ventanas en los extremos de un diámetro, y el otro puede girar con rapidez por medio de una cuerda sin fin como se ve en el grabado (fig. 381) que representa una doble máquina con cuatro discos que pueden existir en mayor número para aumentar la tensión. Simétricamente contiguas á las dos ventanas se hallan pegadas al vidrio las armaduras de cartulina que terminan en una lengüeta saliente dirigida en sentido contrario de la rotación, durante la cual casi tocan al disco movible. Enfrente de cada armadura está el correspondiente peine en relación con los conductores, terminados por las esferas P y N, de los cuales se suspenden los tubos condensadores K y H.Esta máquina se ha modificado disponiendo los discos horizontales y movibles en sentido contrario, sin presentar rotura alguna, pero armándola de cuatro peines en los extremos de dos diámetros perpendiculares.
749. Explicación de la carga. —
Se carga la máquina tocando el conductor P con la varilla aislada que atraviesa la esfera N, y aproximando á una armadura A (fig. 382) una paleta de ebonita frotada, que le comunica su electricidad negativa á tiempo que se da vuelta al manubrio. Supongamos que sea la armadura correspondiente al conductor N: la electricidad positiva del mismo se escapa por las púas y se carga con ella todo el semicírculo inferior del disco movible, que al pasar delante de la otra armadura atrae por la lengüeta y por el peine del conductor P la electricidad contraria, quedando ambos, armadura y conductor, cargados positivamente; do modo que al separar poco á poco la varilla salta al principio una chispa casi continua entre los conductores positivo P y negativo N.
Es debido el efecto á la poca capacidad de los conductores, y se consigue aumentarla y que adquieran las esferas ó polos de la máquina una diferencia considerable de potencial, con sólo enlazar á aquéllos las armaduras internas de dos condensadores formados por dos tubos de paredes gruesas, cuyas armaduras exteriores se hallan unidas entre sí para darles más fijeza.
Es evidente que con esta disposición pueden sacarse chispas á una gran distancia; en tiempo seco hasta de 40 ó 50 centímetros; pero sucediéndose por intervalos más largos, para dar tiempo á que reciban los conductores la carga necesaria.
Hemos indicado que para cebar la máquina y que funcione con regularidad, es preciso mantener en contacto las esferas P y N de los conductores, y luego separar éstas paulatinamente hasta que adquieran la mayor diferencia de potencial que corresponde á la máxima distancia explosiva que permite las dimensiones y demás particularidades de la construcción de la máquina; pero si se excede de esta distancia en la separación de los polos, se descarga instantáneamente la máquina, y es preciso electrizar de nuevo la armadura: algunas veces resultan invertidas las cargas y habría que hacer girar al disco en sentido contrario, por haberse cambiado los polos.
El primer efecto se explica porque la electricidad inducida en los conductores, en vez de neutralizarse en forma de chispa, cuando no puede saltar por la excesiva distancia que separa á N y P, viene por las púas á neutralizar la contraria que existia en el disco móvil que continúa girando; y como el efecto del condensador es aumentar la capacidad de los conductores cuando aquél va unido á éstos, que es lo ordinario, puede fluir por los peines sobre cada semidisco tanta electricidad de opuesto nombre, que después do anularse resulte la inversión, lo cual se evita dando mayor superficie á las armaduras, y disponiendo un conductor diametral aislado con una inclinación de unos 30°, respecto al plano horizontal en que se hallan los peines. De este modo fluyen siempre sobre cada mitad del disco, por las púas de este conductor diametral, las mismas electricidades que determinó la inducción de la carga inicial de la armadura, y predomina esta acción sobre la contraria que ejercen los conductores P y N, unidos al condensador, continúa funcionando la máquina.
Obsérvase cuando están cebadas estas máquinas cierta resistencia al movimiento del disco, cuya circunstancia y la de poder sacar indefinidamente chispas si no cesa el movimiento, prueban que, realmente, la electricidad resulta de la transformación de la energía mecánica; y se demuestra el principio de la reciprocidad, enlazando por sus polos respectivos dos máquinas de Holtz, pues cuando se ceba la primera dando vueltas á su disco, la carga se transmite á la segunda, cuyo disco gira si previamente se aminora en lo posible el rozamiento.
750. Máquina eléctrica de Wimhurst. -
En otras máquinas más modernas se suprime la carga inicial, cebándose por si mismas mediante el frote de unas escobillas de oropel (puestas en los extremos de unas varillas metálicas, diametrales PP' y P"P'", que se inclinan convenientemente sobre la dirección horizontal de los peines enfrente de cada disco), con una serie de tiras de papel de estaño, en número de 16 ó más, pegadas en el disco, según puede verse en el grabado (fig. 383), que representa una máquina de Wimshurst con discos de vidrio, que son preferibles, á causa de su inalterabilidad, á los construidos en un principio, de ebonita, y ofrece la ventaja de dar chispas de uno á dos decímetros de longitud, á pesar de la mucha humedad del aire (3); sin que en esta máquina se inviertan los polos, como ocurre fácilmente en la de Holtz. Las flechas indican el sentido opuesto en que giran los discos, dando al manubrio un determinado movimiento rotatorio. Los peines comunican con los conductores de mango aislador terminados en las esferas E y E' y también con los condensadores C y C'. Basta, como hemos dicho antes, aproximar las esferas y dar vuelta al manubrio para que salten las chispas en esta máquina.
751. Teoría de la máquina de Wimshurst. -
Se ha demostrado por medio de una máquina de discos flexibles que se distribuye la electricidad del modo indicado en el esquema (fig. 384); es decir, cada semidisco queda cargado de electricidades contrarias, y en virtud de ser perpendiculares los conductores diametrales PP' y P"P" respectivos, dos de los cuadrantes opuestos, el par superior é inferior, con (+) y (—), se atraen, y los otros se repelen por tener electricidad del mismo nombre, positiva los de la derecha del grabado y negativa los de la izquierda. También se comprueba el desarrollo de la electricidad sin necesidad de los peines, por lo cual podemos prescindir de ellos para explicarnos cómo se carga la máquina.
Supongamos con electricidad negativa la tira del disco posterior D, de mayor radio, que se halla enfrente de la brocha P correspondiente al disco delantero D': atraida la electricidad positiva fluirá por la brocha á la tira que está en contacto con ella, marchándose la negativa al suelo por el eje Ax y el montante de la máquina; al girar el disco D' 90° á la derecha, su tira positiva se halla enfrente de P" y esta brocha cede electricidad negativa al disco grande, al paso que avanzando otro tanto hacia la izquierda la tira negativa de éste, se descarga y toma electricidad positiva por la brocha P'" de su conductor diametral; continuando análogo razonamient/se explica la distribución de la electricidad.
Se comprende además que la máquina se irá cebando á medida que da vueltas, porque sobre la brocha P, v. gr., obrarán acciones iguales y contrarias de parte de las tiras contiguas del disco anterior D', y por lo tanto, su efecto será nulo; mas no sucede esto con la electricidad negativa del disco D, que ejerce su inducción no sólo mediante una tira, sino por las tres próximas, que producirán un efecto casi triple, que se repite asimismo en P', P" y P'" aumentando la carga por las reacciones mutuas, hasta alcanzar el limite dado por los inevitables escapes de la electricidad. Boneti ha simplificado la máquina de Wimshurst suprimiendo las tiras de estaño é iniciando la carga por el simple frotamiento del disco giratorio, cogido suavemente entre los dedos impregnados de oro musivo ó bien aproximando á uno de los conductores cualquier cuerpo electrizado.
(1) Este grabado y algún otro son copia del excelente Tratado de Física de los señores Imbert y Bertin.
(2) En vez de la torta resinosa se emplean discos de ebonita, que no se agrietan y dan mayores chispas; pero á la larga se altera también la superficie de éstos y no se electrizan por oxidarse el azufre unido al caucho para formar dicha substancia. También se utiliza con el mismo objeto la parafina, y mejor mezclada con el azufre, haciéndose de este modo menos alterable y más tenaz.
(3) Algunos constructores, como el Sr. Ducretet, de cuyo catálogo tomamos este modelo, sustituyen las tiras planas radiales por unos rellenos recubiertos de hoja de estaño, con el objeto de aumentar el frotamiento de las brochas metálicas.
"Elementos de Física" Eduardo Lozano y Ponce de León
Catedrático por oposición de la referida asignatura, actualmente numerario de acústica y óptica en la Universidad Central, doctor en ciencias físico-matemáticas, graduado en la sección de físico-químicas y licenciado en farmacia, miembro de la Real Academia de Ciencias y Artes de Barcelona, oficial de la instrucción pública en Francia, corresponsal de la Económica matritense y de otras sociedades.
Aprobada por el Consejo de Instrucción Pública, y destinada para servir de texto en los Institutos de 2ª enseñanza y Escuelas de Artes é Industrias.
Novena edición corregida y revisada por el ingeniero D. Eduardo Lozano y Monreal
Establecimiento tipográfico de Jaime Ratés, Madrid, 1907