Máquina Wimshurst: história, como funciona e aplicações - Ciência - 2023

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o Máquina Wimshurst É um gerador eletrostático de alta tensão e baixa amperagem, capaz de produzir eletricidade estática por meio da separação de cargas, graças ao giro de uma manivela. Por outro lado, os geradores atualmente utilizados, como baterias, alternadores e dínamos, são antes fontes de força eletromotriz, causando movimentos de cargas em circuito fechado.

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

Destaca-se sobre as máquinas eletrostáticas anteriores por sua operação confiável, reproduzível e construção simples, sendo capaz de gerar uma diferença de potencial impressionante entre 90.000 e 100.000 volts.

Peças de máquina Wimshurst

A base da máquina são os dois discos de material isolante característicos, com finas folhas de metal fixadas e dispostas em setores radiais.

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

Ambos os discos são montados em um plano vertical e separados por uma distância de 1 a 5 mm. É importante que os discos nunca se toquem durante a rotação. 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 a outra voltada para o lado externo do segundo disco. Essas barras se cruzam em um ângulo entre si.

As extremidades de cada barra possuem escovas de metal que fazem contato com setores de metal opostos em cada disco. Elas são conhecidas como barras neutralizadoras, por um bom motivo que será discutido em breve.

As escovas mantêm em contato elétrico (metálico) o setor do disco que toca uma das extremidades da barra, estando o setor diametralmente oposto. A mesma coisa acontece no outro álbum.

O efeito triboelétrico

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

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

Um par de coletores de metal em forma de U (pentes) são adicionados à máquina com 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 conectados a outras duas barras de metal com acabamento em esferas, próximas, mas sem se tocar.

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

A garrafa ou jarro de Leyden é um condensador com estruturas metálicas cilíndricas. Cada garrafa é conectada à outra pela placa central, formando dois capacitores em série.

Girar a manivela produz uma diferença tão alta no potencial elétrico entre as esferas que o ar entre elas se ioniza e uma faísca salta. O aparelho completo pode ser visto na imagem acima.

Princípios físicos envolvidos

Na máquina de Wimshurst, a eletricidade sai da matéria, que é feita 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 ao redor de seu núcleo.

Quando um material perde alguns de seus elétrons mais externos, ele se torna carregado positivamente. Por outro lado, se você capturar alguns elétrons, obterá uma carga líquida negativa. Quando o número de prótons e elétrons é igual, o material é neutro.

Em materiais isolantes, os elétrons ficam em torno de seus núcleos sem a capacidade de se afastar muito. Mas nos metais, os núcleos estão tão próximos uns dos outros que os elétrons mais externos (ou valência) podem pular de um átomo para outro, movendo-se através do material condutor.

Se um objeto com carga negativa se aproxima de uma das faces de uma placa de metal, os elétrons do metal se afastam por repulsão eletrostática, neste caso para a face oposta. A placa é então considerada polarizada.

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

Ciclo de carga e armazenamento

Para que a máquina Wimshurst seja inicializada, alguns dos setores de metal no disco precisam ter um desequilíbrio de carga. Isso acontece de forma natural e frequente, principalmente quando há pouca umidade.

Quando os discos começarem a girar, chegará um momento em que um setor neutro do disco oposto se opõe ao setor carregado. Isso induz nele uma carga de igual magnitude e direção oposta graças às escovas, uma vez que os elétrons se afastam ou se aproximam, conforme o sinal do setor que se defronta.

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

Para isso, a parte interna do U projeta picos semelhantes a pentes direcionados às faces externas de cada disco, mas sem tocá-los. A ideia é que a carga positiva se concentre nas pontas, de forma que os elétrons expulsos dos setores sejam atraídos e se acumulem na placa central das garrafas.

Desta forma, o setor voltado para o coletor perde todos os seus elétrons e permanece neutro, enquanto a placa central do Leyden é carregada negativamente.

No coletor oposto ocorre o contrário, o coletor entrega elétrons para a placa positiva que o enfrenta até que seja neutralizado e o processo se repita continuamente.

Aplicativos e experimentos

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

O ângulo das barras do neutralizador pode ser variado para definir alta corrente de saída ou alta tensão de saída. Se os neutralizadores estiverem longe dos coletores, a máquina fornece 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, podendo 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 do Leyden.

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

Experimento 1

Os efeitos do campo eletrostático podem ser avaliados colocando uma folha de papelão entre as esferas e observando que as faíscas fazem buracos nela.

Experimento 2

Para esta experiência, você precisará de: um pêndulo feito de 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 cabos com pinças.

Conforme a manivela é girada, a bola inicialmente neutra oscilará entre as lâminas. Um deles terá excesso de carga negativa que cederá à bola, que será atraída pela folha positiva.

A bola depositará seus elétrons excedentes nesta folha, ela será neutralizada brevemente e o ciclo se repetirá novamente enquanto a manivela continuar a girar.

Referências

De Queiroz, A. Máquinas Eletrostáticas. Recuperado de: coe.ufrj.br
Gacanovic, Mico. 2010.Princípios de Aplicação Eletrostática. Recuperado de: orbus.be