Máquina electrostática de Wimshurst -5-
Barnizado de los elementos de madera y montaje de la máquina
Una vez acabados todos los elementos individuales y he comprobado que se acoplan entre ellos sin problemas, procedo al desmontaje para barnizar las partes de madera.
Le doy una lijada con papel de 280 y después de 400, y para aumentar un poco el tono de color del tablero le aplico dos manos de tinte al agua Orita color pino, especial para madera, dejando que seque a lo largo de seis horas para después aplicarle dos capas de barniz transparente satinado.
Parte de los elementos desmontados para proceder al barnizado de los soportes de madera, y proceso de teñido previo al barnizado
El resultado estético ha sido bueno, teniendo además en cuenta que no estoy intentando reproducir fielmente una Wimshurst de finales del XIX, sino algo funcional pero con mejor aspecto y prestaciones que el kit de plástico que se vende en Internet.
Mi máquina de Wimshurst a punto de efectuar las primeras pruebas
Dos imágenes con más detalle de la parte trasera
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Las primeras pruebas
Hago girar la manivela y a las pocas vueltas ya comienzo a notar un intenso olor a ozono, síntoma claro que se está produciendo alta tensión, y casi instantáneamente comienzan a saltar chispas entre las esferas pequeñas de los electrodos de salida. Y sin embargo, la longitud de las mismas es decepcionante, ya que apenas alcanzan los dos centímetros y medio, que aún correspondiendo a una tensión de 25.000 volts son muy inferiores a las esperadas.
Procedo a efectuar un ajuste de las barras neutralizadoras, conectando un microamperímetro de aguja entre los terminales de salida. La intensidad es relativamente alta, superior a 20 microampers. Variando la inclinación de las barras consigo mejorarla hasta 25 microampers, superior a los 23 predichos por el programa de Queiroz, y sin embargo las chispas no aumentan apreciablemente de longitud, y siguen muy lejos de los 7,6 cm indicados por el mismo programa.
Las primeras chispas de 2-2,5 cm, de cuerpo consistente pero cortas en longitud
Realizo una serie de pruebas en un cuarto a oscuras, donde puedo observar que los discos de mi Wimshurst brillan casi como un árbol de navidad. Hay numerosos arcos entre los sectores comprendidos entre los peines colectores y las escobillas neutralizadoras más próximas a cada uno de ellos. Es evidente que estas descargas están restando tensión a las salidas de la máquina y que ello tiene que ver con la poca distancia entre sectores. Otra evidencia es que los discos de metacrilato se están marcando con unas feas líneas negras, así como los propios sectores de aluminio. Parece ser como si el reguero de chispas casi permanentes estén creando caminos en que "queman" por donde pasan.
Después de algunas pruebas más en que no consigo mejorar el resultado, decido desmontar los discos y corregir los 40 sectores sin tener que fabricarlos de nuevo. La idea es marcar y cortar dos franjas de 4 mm. en cada lado, con lo cual la distancia entre ellos pasará de 11 a 19 mm. Acabo el trabajo en apenas una hora y ya que tengo la máquina como un puzle de piezas deparramadas sobre la mesa, aprovecho para cambiar el sistema de sujeción de las escobillas neutralizadoras. Para ello doblo los extremos para que sean casi paralelos a los discos y con un disco de widia practico un corte en sus extremo. Después perforaré un agujero de 1,5 mm para el tornillo de sujeción y en cada uno de estos puntos colocaré nuevas escobillas, ya que las anteriores también han sufrido un cierto desgaste debido a los "fuegos artificiales".
Otra cosa que aprovecho para hacer es equilibrar los discos lateralmente, introduciendo una simple hojita de papel entre el propio disco su polea de Delrin correspondiente. Con un eje de 6 mm. montado en el caracol de la mesa de trabajo voy ajustando y cambiando el apriete de los 3 tornillos hasta que consigo oscilaciones laterales que apenas superan al milímetro, lo cual, para discos de 30 cm. de diámetro es un ajuste satisfactorio.
Cambiando la sujeción de las escobillas neutralizadoras, perforando el agujero de sujeción y cortando una hendidura con un disco de diamante
Colocando nuevas escobillas y aspecto del sistema una vez acabado
Monto la máquina de nuevo y algo ha mejorado, ahora las chispas ya superan los 4 cm y las "luces navideñas" en la oscuridad han disminuido de forma apreciable. Sin duda el rendimiento ha mejorado, pero no es suficiente. En la Wimshurst de mi amigo observo que las puntas de los peines neutralizadores están bastante lejos de los discos, en concreto a más de 1 cm. No puedo imaginarme como al aumentar la distancia de salto puede mejorar al tensión final, pero como esta máquina es un ejemplo bastante complejo de un sistema autoexcitado, es muy posible que no tenga en cuenta todos los factores.
Sin desmontar los discos, cambio las varillas y los peines colectores por el tipo grande, que permite que las agujas más separadas, y de forma sorprendente la intensidad aumenta hasta los 28-30 microampers, pero la tensión no parece variar un ápice y por tanto tampoco crece la longitud de chispa. Y en este momento se me ocurre romper con las teorías mas extendidas sobre la Wimshurst con respecto a los peines colectores, las cuales dicen que las puntas han de ocupar toda la longitud de los sectores. Y sin embargo, yo no acabo de entender muy bien la motivación de este principio, ya que los sectores son metálicos y por tanto la movilidad de las cargas es suficientemente grande para que puedan ser "recogidas" en cualquier punto del mismo.
Mi idea es desmontar todas las agujas fijas y sustituirlas por dos ajustables, con lo que podré ir variando la distancia y establecer comparaciones. Según la teorías citadas el rendimiento de la máquina debería disminuir de forma apreciable, pero sin embargo no es así, con las dos agujas a la misma distancia de los discos no hay diferencia alguna con utilizar cuatro agujas por lado, lo cual demuestra mis sospechas. Y además cuando comienzo a acercar las agujas noto una mejora notable de la máquina, las chispas máximas aumentan a 5 cm. y se producen con una cadencia mayor que antes.
La nueva disposición de peines colectores más separados
Aquí una prueba con sólo dos puntas ajustables, para observar la diferencia por número y por distancia
Esto progresa, pero sigue sin ser suficiente. Entonces decido cuestionar otro de los dogmas establecidos sobre esta máquina, que es la distancia entre los discos. La documentación que he encontrado recomienda mantener los discos la unos 2 ó 3 mm. pero que nunca, en ningún caso, lleguen a tocarse. Los motivos no se explican, pero me temo que es afirmar las cosas porque otros lo han hecho anteriormente.
Sobre este tema mis ideas han ido evolucionando a lo largo de la construcción de esta máquina. En un principio pensé que al funcionar por los efectos de inducción de cargas y multiplicación de la tensión debido a los condensadores variables que forman los sectores metálicos, su rendimiento sería mayor cuanto más cerca estuvieran los discos de soporte. y aunque estos llegaran a rozarse, tampoco sería un problema mientras el uno no frenara el movimiento contrario del otro. Pero después de meditar bastante sobre el tema y en vista de los resultados obtenidos hasta ahora, estoy pensando en una nueva posibilidad: que para conseguir una tensión más alta, aunque no corresponda al ajuste que proporciona una mayor intensidad en cortocircuito, es necesario maximizar la "variación de capacidad". Es decir, buscar las formas de los sectores, la distancia entre ellos en el mismo disco, y el ajuste de distancia entre discos, para que los dos valores de capacidad entre la posición de los sectores enfrentados y la posición de los sectores intercalados sean lo más distintos posible.
Entonces, teniendo en cuenta estas premisas, la tensión más alta conseguida no sólo dependerá de la distancia entre sectores que establece la tensión de arco, sino también de la variación anterior. Para sectores muy estrechos y separados entre ellos, ambos factores permitirán una tensión final muy grande, pero entonces la limitación vendrá de la baja intensidad en cortocircuito que suministra, lo cual provocará que la tensión, limitada también por las pérdidas superficiales y de ionización no suba tanto como debería.
Estos razonamientos tal vez puedan ser el motivo por el cual algunos aconsejan que los sectores han de situarse sobre un disco a una distancia igual a su anchura, aunque quienes dicen esto piensan más en la distancia de arco que en el efecto multiplicador de las cargas.
Como sea, desmonté mi máquina parcialmente y fui añadiendo arandelas de separación entre los discos, y como sospechaba, esto se tradujo de inmediato en mayores longitudes de chispa, hasta que con una separación interna de 6 mm, a los que debemos sumar 1,5 + 1,5 del grosor del metacrilato de los discos, es decir, de 9 mm. entre sectores enfrentados, conseguí los mejores resultados... ¡¡ con potentes chispas que llegan a saltar a distancias de hasta 9 cm...!! ... Y eso que he realizado las pruebas con un porcentaje de humedad ambiente que supera el 75%...
La evidencia de estas pruebas empíricas me demuestra algo que hasta ahora no he visto en ninguna descripción de la Wimshurst; que para cada tipo de sectores habrá una distancia óptima entre discos, la cual será menor para sectores estrechos y muy separados, y mayor en aquellos anchos que produzcan un cierto solapamiento al girar.
A partir de este punto ya pude ir sobre seguro, modifiqué los peines estrechos con tres agujas en cada brazo (más que nada por estética, ya que con una aguja sería suficiente), y les di la longitud adecuada para que se acercaran lo más posible a los discos, naturalmente sin tocarlos. Incorporé además unas tuercas terminales con botón de baquelita que permiten apretar más o menos los brazos de los descargadores de salida, y con algunos detalles más la máquina quedó lista y a punto de operar, como demuestran las siguientes imágenes y el vídeo que vienen a continuación.
Detalle de la distancia entre discos y de los nuevos peines colectores
...Y una impresionante chispa de 9 cm, equivalente a unos 80-90 Kilovolts
Una vez acabada esta variación sigo probando la máquina para ver sus límites. En cuanto a la comparación con las dos Wimshurst que me habían prestado, por decirlo de alguna manera, no hay demasiado color. La clásica de 1900 tiene distancias tan pequeñas entre sus elementos que sus chispas apenas alcanzan los 3 cm antes de comenzar a cortocircuitarse sobre los discos, entre los peines y los neutralizadores, y el kit moderno consigue como máximo unos 6 cm, y al ser menores tanto la intensidad en cortocircuito como la capacidad de las Botellas de Leyden, sus descargas son más delgadas y tardan más en cebarse y saltar.
Vídeo del funcionamiento de mi Wimshurst con explicación del ajuste de los electrodos de salida
En este punto, y después de un par de semanas de trabajo, ya puedo dar el proyecto por acabado. Esta máquina va muy bien, y en las condiciones de humedad habituales en mi isla, rondando el 70 o 75%, casi alcanza la máxima tensión teórica en relación al tamaño de disco, la cual estoy seguro que superaría de trabajar con índices por debajo del 50%.
Así que ahora podré ir planteando algunas experiencias didácticas que quiero realizar con ella, tanto las clásicas de atracción-repulsión electrostática, como otras menos frecuentes de física general, y hasta algunas novedosas que tengo en mente y que en su momento desvelaré.
...Un saludo a todos.
