T ALLER Y LABORATORIO Marc Boada
Generador electroestático de Kelvin
A
William Thompson, Lord Kelvin, debemos uno de los generadores eléctricos más curiosos que conozco. La electricidad puede obtenerse por fenómenos muy dispares: desde el efecto fotoeléctrico hasta la deformación de un retículo cristalino. El generador de goteo de Kelvin reviste especial interés porque transforma directamente el potencial gravitatorio en una diferencia de potencial eléctrico. Se trata de un sencillo aparato que separa las cargas eléctricas positivas y negativas existentes en el agua: las gotículas caen desde un depósito y forman dos hileras que atraviesan unos anillos metálicos para caer finalmente en dos recipientes, donde se almacenan cargas eléctricas opuestas con diferencias de potencial típicas de 10 o 15 kilovolt. En esta ocasión, nos proponemos
tados eléctricamente en cruz a dos recipientes (D y E ) donde se acumulan las gotas y también las cargas que éstas posean. Al cabo de pocos minutos, entre los dos conductores (F ) salta una chispa que, en los mejores aparatos, puede llegar a los 10 milímetros de longitud. El fenómeno se inicia con la caída de las primeras gotas, todas con estado eléctrico idéntico, es decir, dotadas de la misma carga. Por otro lado, los dos anillos conectados en cruz a los recipientes D y E nunca, o casi nunca, poseen la misma carga eléctrica, pues, como señala Julio Güémez, de la Universidad de Cantabria, basta un rayo cósmico para que exista una diferencia leve. Aceptemos, pues, que el anillo C y, por tanto, el recipiente D tienen una carga, por ejemplo, ligeramente negativa respecto del anillo B y el recipiente E . Cuando una gota atraviesa el anillo C , las cargas de signo negativo sufren una repulsión; ello las retiene por encima del anillo. Pasan sólo las positivas, que se acumulan en la gota y caen al recipiente E . Así, el anillo B adquiere una polarización positiva y de signo contrario a la de C , con lo que las gotas que lo atraviesen estarán dotadas de carga eléctrica negativa. Conforme el proceso avanza, las cargas repelidas por cada anillo migran hacia el otro: se establece así un trabajo de cribado eléctrico que separa cargas positivas y negativas a lado y lado del dispositivo. ¿De dónde proceden estas cargas? Cabe recordar que el agua no es un fluido neutro: algunas de sus moléculas (alrededor de una de cada 10 7 ) se hallan disociadas en iones OH– y H+. El paso del fluido a través de los anillos es, por
A
Recipiente superior
H2O destilada
Conductor de cobre Ø 1 o 2 mm
B
C F
DIFERENCIA DE POTENCIAL (KV)
ELECTRODOS ESFERICOS Ø = 25 mm
ELECTRODOS PUNTIAGUDOS
5
1,3
4,2
10
3,0
8,5
15
4,2
13,0
20
5,8
17,5
25
7,6
22,0
30
9,5
26,9
35
11,7
32,0
2. La longitud de la chispa varía también con la forma de los electrodos. En la tabla aparecen valores de longitud de chispa (en milímetros), a presión normal y a 25 grados centígrados, en función de la diferencia de potencial acumulada y del tipo de electrodo empleado.
una capacidad total igual a la del recipiente superior; con un poco de adhesivo, fijaremos en ellos dos alambres de cobre doblados formando anillos de unos 15 o 25 milímetros de diámetro en sus extremos. Doblándolos con suavidad, ajustaremos las distancias para que cada uno de los anillos por donde pasan las gotas queden a pocos centímetros de la boquilla corres-
chispas), los alambres deben mantener una separación de sólo 2 o 3 milímetros. Llenaremos con agua destilada el depósito superior y ajustaremos los goteadores de forma que la vena fluida que salga de ellos se rompa en gotas algunos milímetros por encima de los anillos. Esperaremos. Pasados algunos minutos, deben saltar pequeñas chispas en el punto donde los conductores se cruzan. En raras ocasiones el experimento funciona a la primera. Podemos estimular la aparición del fenómeno mediante la polarización de uno de los conductores con un tubo de PVC, que previamente habremos frotado enérgicamente con un trozo de celulosa o lana y que deslizaremos cerca del hilo de cobre como si tocáramos el violín. El ajuste de la velocidad de goteo, que ejerce una notable influencia en la adquisición de carga, constituye quizás el punto más crítico. Con paciencia, comprobaremos que, cuando la carga aumenta, cambia el sonido del goteo; ello se debe a la atracción que las gotas electrizadas experimentan por el anillo que atraviesan, que desvía su trayectoria. Ello demuestra que el trabajo de cribado (separación) de las cargas eléctricas se realiza a expensas de una reducción en la velocidad de caída de las gotas; es decir: cuanta mayor sea la diferencia de potencial acumulada, mayor habrá sido la reducción de la velocidad de las gotas. Las gotas caen cada vez más despacio por la carga (o la diferencia de potencial) acumulada en cada recipiente. El líquido cargado frena las gotas de la misma carga que van cayendo. El artefacto admite varias mejoras. En la fotografía se muestra una versión del mismo, basada en un dise-
El generador electrostático de Kelvin
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El generador electrostático de Kelvin
El generador de goteo de Kelvin es interesante por que transforma directamente el potencial gravitatorio en una diferencia de potencial eléctrico. Separa las cargas eléctricas positivas y negativas existentes en el agua, del orden de una cada 107 moléculas ó 6.1·1016 iones H+ y OH- por litro. Las gotas caen del depósito superior A y forman dos hileras que atraviesan sendos anillos metálicos B y C para caer en dos recipientes D y E, donde se almacenan las gotas: en uno las gotas cargadas positivamente y en el otro, las gotas cargadas negativamente, dando lugar a una diferencia de potencial del orden de 10 000 V.
El generador electrostático de Kelvin
Al cabo de unos pocos minutos salta una chispa en el cruce F de los dos alambres separados menos de 1 cm. Se ha de tener en cuanta que el aire se vuelve conductor cuando las moléculas se disocian bajo la acción de un campo eléctrico intenso, en condiciones normales tiene que haber una diferencia de potencial de 22 300 V cuando los conductores están separados 1 cm. Los anillos B y C suelen ser cilindros metálicos de algunos centímetros de altura denominados “inductores”. No es posible predecir anticipadamente cuál de los depósitos D o E acumulará carga positiva o negativa. Unas veces el depósito izquierdo es positivo y el derecho es negativo, otras veces ocurre la inversa. Supongamos que inicialmente el depósito D adquiere una carga negativa y el E carga positiva. Cuando una gota atraviesa el anillo C las cargas de signo negativo experimentan una repulsión y pasan a través del anillo solamente las cargas positivas. Cuando una gota atraviesa el anillo B las cargas de signo positivo experimentan una repulsión y pasan a través del anillo solamente las cargas negativas. Los depósitos D y E adquieren cada vez más carga, se trata de un proceso que se autoamplifica una vez iniciado. Para que funcione el generador es necesario que se cumplan dos requisitos: 1. Los recipientes inferiores que recogen las gotas cargadas han de estar perfectamente aislados uno del otro y ambos del suelo para impedir la fuga de carga. 2. El hilo de agua que sale del depósito superior se ha de romper en gotitas dentro de los “inductores”.
El generador electrostático de Kelvin
Referencias Boada M., Generador electrostático de Kelvin, Taller y Laboratorio, Investigación y Ciencia, mayo 2006, págs 84-86 Desmet S, Orban F., Grandjean F., On the Kelvin electrostatic generator , Eur. J. Phys. 10 (1989) pp. 118-122. Vídeo:
César Sánchez Martín. "Ver el sonido" y otros caprichos. VIII Edición del Concurso Ciencia en Acción Zaragoza (2007)
Curso Interactivo de Física en Internet © Ángel Franco García (1998-2007)
