Máquina Wimshurst: história, como funciona e aplicações

A máquina Wimshurst é um dispositivo eletrostático inventado pelo engenheiro britânico James Wimshurst em 1883. Ela é composta por discos de vidro ou acrílico que giram em sentidos opostos, gerando cargas elétricas por atrito com escovas condutoras. Essas cargas são transferidas para capacitores e podem ser utilizadas para diversas aplicações, como experimentos de física, demonstrações educacionais, eletroterapia e até mesmo como fonte de energia para pequenos dispositivos. A máquina Wimshurst é um exemplo clássico de como a eletricidade estática pode ser gerada e utilizada de forma prática e didática.

Entenda o funcionamento da máquina eletrostática e sua importância na eletricidade estática.

A máquina Wimshurst é um tipo de máquina eletrostática utilizada para gerar eletricidade estática. Criada por James Wimshurst no século XIX, essa máquina é composta por discos de vidro ou resina que são girados manualmente por manivelas. Quando os discos são girados, eles geram cargas elétricas opostas que são coletadas por escovas metálicas, criando assim uma diferença de potencial elétrico.

Essa diferença de potencial elétrico gerada pela máquina Wimshurst pode ser utilizada em diversas aplicações, como por exemplo na demonstração de fenômenos elétricos em experimentos científicos, na recarga de equipamentos eletrônicos e até mesmo na produção de faíscas para acender fogos de artifício.

É importante ressaltar que a eletricidade estática gerada pela máquina Wimshurst é fundamental para o estudo e compreensão dos princípios da eletricidade. Além disso, essa máquina também é utilizada como uma forma de entretenimento em feiras de ciências e eventos educativos, despertando o interesse das pessoas pelo mundo da eletricidade.

Qual foi a origem da primeira máquina eletrostática inventada na história da ciência?

A primeira máquina eletrostática inventada na história da ciência foi a Máquina Wimshurst, criada pelo inglês James Wimshurst em 1883. Esta máquina revolucionou o estudo da eletricidade e do magnetismo, permitindo a geração de cargas elétricas de alta voltagem de forma contínua.

A Máquina Wimshurst funciona através da indução eletrostática, onde discos de vidro ou metal são girados em sentidos opostos por manivelas. Este movimento cria atrito entre os discos e as escovas condutoras, gerando cargas elétricas que são transferidas para os capacitores da máquina. Quando a voltagem atinge um nível suficientemente alto, ocorre uma descarga entre os capacitores, criando faíscas visíveis.

As aplicações da Máquina Wimshurst são variadas, sendo utilizada em experimentos científicos, demonstrações educacionais e até mesmo em aparelhos de terapia física. Sua capacidade de gerar eletricidade estática de forma eficiente e segura a tornou uma ferramenta indispensável para estudos e pesquisas na área da eletricidade.

Conceito de gerador eletrostático: funcionamento e aplicações na eletricidade estática.

Um gerador eletrostático é um dispositivo que produz uma diferença de potencial elétrico usando a eletricidade estática. Ele funciona através da separação de cargas elétricas positivas e negativas, criando assim uma tensão elétrica entre dois pontos. Este tipo de gerador é amplamente utilizado em experimentos científicos, na indústria e em aplicações educacionais.

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A Máquina Wimshurst é um exemplo clássico de gerador eletrostático. Ela foi inventada pelo engenheiro inglês James Wimshurst no século XIX e é composta por discos rotativos com segmentos metálicos alternados, que geram eletricidade estática por atrito. Quando os discos são girados manualmente, as cargas elétricas são separadas e acumuladas em capacitores, produzindo uma tensão elétrica significativa.

As aplicações da Máquina Wimshurst são diversas, desde demonstrações de fenômenos elétricos em laboratórios até a geração de eletricidade para experimentos em física. Ela também pode ser utilizada em experiências de eletrização e descarga elétrica, contribuindo para o entendimento da eletricidade estática e seus efeitos.

Máquina Wimshurst: história, como funciona e aplicações

A máquina Wimshurst é um gerador eletrostático de alta tensão e baixa amperagem, capaz de produzir eletricidade estática por separação de cargas, graças à rotação de uma manivela.Por outro lado, os geradores usados ​​atualmente, como baterias, alternadores e dínamos, são fontes de força eletromotriz, que causam movimentos de cargas em um circuito fechado.

A máquina Wimshurst foi desenvolvida pelo engenheiro e inventor britânico James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 e 1883, melhorando as versões de geradores eletrostáticos propostos por outros inventores.

Máquina Wimshurst: história, como funciona e aplicações 1

Máquina de Wimshurst. Fonte: Andy Dingley (scanner) [Domínio público]

Ele se destaca das máquinas eletrostáticas anteriores por sua operação confiável e reproduzível e sua construção simples, capaz de gerar uma incrível diferença de potencial entre 90.000 e 100.000 volts.

Peças de máquinas Wimshurst

A base da máquina são os dois discos característicos de material isolante, com chapas finas de metal presas e dispostas na forma de setores radiais.

Cada setor de metal possui outro setor diametralmente oposto e simétrico. Os discos têm geralmente entre 30 e 40 cm de diâmetro, mas também podem ser muito maiores.

Ambos os discos são montados em um plano vertical e separam uma distância entre 1 e 5 mm. É importante que durante a rotação os discos nunca se toquem.Os discos são girados em direções opostas por um mecanismo de polia.

A máquina Wimshurst possui duas barras de metal paralelas ao plano de rotação de cada disco: uma voltada para o lado externo do primeiro disco e outra voltada para o lado externo do segundo disco. Essas barras se cruzam em ângulo entre si.

As extremidades de cada barra têm escovas de metal que fazem contato com os setores opostos de metal em cada disco. Eles são conhecidos como barras neutralizadoras, por uma boa razão que será vista em breve.

As escovas mantêm o setor de disco que toca em uma extremidade da barra em contato elétrico (metálico) com o setor diametralmente oposto. O mesmo acontece no outro disco.

O efeito triboelétrico

As escovas e os setores do disco são feitos de metais diferentes, quase sempre cobre ou bronze, enquanto as placas dos discos são feitas de alumínio.

O contato fugaz entre eles enquanto os discos giram e a separação subsequente cria a possibilidade de trocar cargas através da adesão. Esse é o efeito triboelétrico, que também pode ocorrer entre um pedaço de âmbar e um pano de lã, por exemplo.

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À máquina é adicionado um par de coletores de metal (pentes) em forma de U e termina em pontas ou pontas de metal, localizadas em posições opostas.

Os setores de ambos os discos passam pela parte interna do U do coletor sem tocá-lo. Os coletores são montados em uma base isolante e, por sua vez, são conectados a duas outras barras de metal que terminam em esferas, fechadas, mas sem tocar.

Quando a energia mecânica é fornecida à máquina por meio da manivela, a fricção da escova produz o efeito triboelétrico que separa as cargas, após o que os elétrons já separados são apanhados pelos coletores e armazenados em dois dispositivos chamados garrafas de Leyden

A garrafa ou o jarro Leyden é um condensador com reforços cilíndricos de metal. Cada frasco é conectado ao outro pela placa central, formando dois capacitores em série.

Girar a manivela produz uma diferença de potencial elétrico tão alta entre as esferas que o ar entre elas ioniza e uma faísca salta. O dispositivo completo pode ser visto na imagem acima.

Princípios físicos envolvidos

Na máquina de Wimshurst, a eletricidade deixa a matéria, composta de átomos. E estes, por sua vez, são compostos de cargas elétricas: elétrons negativos e prótons positivos.

No átomo, os prótons carregados positivamente são compactados no centro ou núcleo e os elétrons carregados negativamente em torno de seu núcleo.

Quando um material perde alguns de seus elétrons mais externos, é carregado positivamente. Pelo contrário, se você capturar alguns elétrons, obtém uma carga líquida negativa. Quando o número de prótons e elétrons é igual, o material é neutro.

Nos materiais isolantes, os elétrons permanecem em torno de seus núcleos, sem a possibilidade de se mover muito longe. Mas, nos metais, os núcleos estão tão próximos um do outro que os elétrons mais externos (ou valência) podem saltar de um átomo para outro, movendo-se através de todo o material condutor.

Se um objeto carregado negativamente for aproximado de uma das faces de uma placa de metal, os elétrons no metal se afastam por repulsão eletrostática, neste caso para o lado oposto. Diz-se que a placa polarizou.

Agora, se esta placa polarizada for conectada por um condutor (barras neutralizantes) do seu lado negativo a outra placa, os elétrons se moverão para essa segunda placa. Se a conexão for interrompida repentinamente, a segunda placa será carregada negativamente.

Ciclo de carga e armazenamento

Para que a máquina Wimshurst inicie, um dos setores de metal do disco precisa ter um desequilíbrio de carga. Isso ocorre de forma natural e frequente, principalmente quando há baixa umidade.

Quando os discos começarem a girar, haverá um momento em que um setor neutro do disco oposto se opõe ao setor carregado. Isso induz uma carga de magnitude igual e direção oposta, graças às escovas, já que os elétrons se afastam ou se aproximam, de acordo com o sinal do setor à frente.

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Esquema da máquina de Wimshurst. Fonte: RobertKuhlmann [Domínio público]

Os coletores em forma de U são responsáveis ​​por coletar a carga quando os discos são repelidos, sendo carregados com cargas do mesmo sinal, conforme mostrado na figura, e armazenam essa carga em garrafas Leyden conectadas a eles.

Para conseguir isso, os picos se projetam dentro do U como pentes direcionados para as faces externas de cada disco, mas sem tocá-los. A idéia é que nas pontas a carga positiva esteja concentrada, para que os elétrons expulsos dos setores sejam atraídos e se acumulem na placa central das garrafas.

Dessa maneira, o setor voltado para o coletor perde todos os seus elétrons e permanece neutro, enquanto a placa central de Leyden é carregada negativamente.

O oposto acontece no coletor oposto, o coletor entrega elétrons à placa positiva que a enfrenta até que seja neutralizada e o processo é repetido continuamente.

Aplicações e experimentos

A principal aplicação da máquina Wimshurst é obter eletricidade de cada sinal. Mas tem a desvantagem de fornecer uma tensão bastante irregular, pois depende do acionamento mecânico.

O ângulo das barras neutralizadoras pode ser variado para configurar alta corrente de saída ou alta tensão de saída. Se os neutralizadores estiverem longe dos coletores, a máquina fornecerá alta tensão (até mais de 100 kV).

Por outro lado, se estiverem próximos dos coletores, a tensão de saída diminui e a corrente de saída aumenta e pode atingir até 10 microamperes em velocidades normais de rotação.

Quando a carga acumulada atinge um valor alto o suficiente, um alto campo elétrico é produzido nas esferas conectadas às placas centrais de Leyden.

Este campo ioniza o ar e produz a faísca, descarregando as garrafas e dando origem a um novo ciclo de carregamento.

Experiência 1

Os efeitos do campo eletrostático podem ser vistos colocando uma folha de papelão entre as esferas e observando que as faíscas fazem furos nele.

Experiência 2

Para este experimento, é necessário: um pêndulo feito com uma bola de pingue-pongue coberta com papel alumínio e duas folhas de metal em forma de L.

A bola é pendurada no meio das duas folhas por meio de um fio isolante. Cada folha é conectada aos eletrodos da máquina Wimshurst por meio de fios com grampos.

Quando a manivela é girada, a bola inicialmente neutra irá oscilar entre as folhas. Um deles terá um excesso de carga negativa que cederá à bola, que será atraída pela folha positiva.

A bola depositará seu excesso de elétrons nesta folha, será neutralizada brevemente e o ciclo será repetido novamente enquanto a manivela continuar girando.

Referências

  1. De Queiroz, A. Máquinas Eletrostáticas . Recuperado de: coe.ufrj.br
  2. Gacanovic, Mico. 2010. Princípios de aplicação eletrostática . Recuperado de: orbus.be

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