Máquinas de Ramsden, Holtz, Wimshurst e Bonetti
Estas páginas são uma reorganização em português do material mais completo contido nas páginas em inglês aqui. O texto a seguir apresenta uma história do desenvolvimento das máquinas eletrostáticas, com uma breve descrição das máquinas mais importantes. O material foi compilado de várias fontes, na maior parte livros e artigos em inglês, francês e alemão do fim do século XIX e início do XX, assim como de minhas experiências. Na seção em inglês, podem ser encontradas mais figuras e referências sobre as origens de todo o material. Muitos dos "links" no texto abaixo apontam para páginas em inglês.
Máquinas eletrostáticas são geradores mecânicos de eletricidade em alta tensão. As máquinas de atrito foram as primeiras formas desenvolvidas para a geração de eletricidade em quantidade significante, e praticamente toda a pesquisa inicial sobre eletricidade, nos séculos XVII e XVIII foi desenvolvida com nada mais sofisticado que estes curiosos dispositivos como fonte de energia. Mais tarde foram desenvolvidas as máquinas de influência, mais potentes, mais aí (século XIX) já eram conhecidas formas mais práticas para geração de eletricidade, como geradores eletromagnéticos e baterias, e o interesse pelo desenvolvimento destas formas de geração decaiu. Ao fim do século, surgiram por breve período aplicações médicas em eletroterapia e como fontes de alimentação para máquinas de raios X. Já no século XX, principalmente na forma do gerador de Van de Graaff e derivados, encontrou-se alguma aplicação em laboratórios de física de alta energia, que ainda persiste. Atualmente, ao princípio do século XXI, estas máquinas são muito pouco conhecidas, com muito de sua história esquecida.
Eu me interessei pelo assunto na adolescência, lendo velhos livros de física que ainda descreviam as máquinas mais importantes. Construí algumas máquinas pequenas, mas acabei deixando o assunto de lado por vários anos, apenas rodando as máquinas de tempos em tempos, que sempre me saudavam com algumas faíscas. Com o advento do WWW, achei que seria interessante montar uma página sobre máquinas eletrostáticas, o que fiz em 1996, e passei a estudar mais o assunto, voltando a construir e estudar estas máquinas. Pesquisando na Biblioteca de Obras Raras e no Museu da Escola de Engenharia da UFRJ, e através de contatos pela Internet, consegui levantar grande parte da história destas máquinas.
As máquinas de atrito apenas realizam de forma mais prática, geralmente por rotação de um isolador atritado com um material adequado, o efeito conhecido desde a antiguidade, de que alguns materiais ficam eletrizados quando atritados. O contato reforçado pelo atrito provoca transferência de cargas entre os materiais, que são a seguir afastados, o que aumenta a tensão elétrica entre as cargas separadas.
A máquina eletrostática mais primitiva foi desenvolvida por Otto von Guericke (1602-1686), em Magdeburgo, atual Alemanha, por volta de 1663. Consistia em uma esfera sólida de enxôfre montada sobre um eixo de ferro, que se encaixava em um suporte em uma caixa de madeira. A caixa servia para guardar acessórios para o gerador. A esfera era girada pelo eixo com uma mão enquanto atritada com a outra mão. Quando eletrizada, era retirada do suporte e usada para experimentos diversos, como perseguir uma pena, que era ora atraída, ora repelida pela esfera. Von Guericke, entretanto, não distinguia claramente o que era a eletricidade.
A partir do fim do século XVII, vários pesquisadores desenvolveram a máquina de atrito: Hauksbee (Francis, c. 1666-1713) (Inglaterra) passou a usar globos de vidro girados rapidamente por sistemas de polias. Esta figura mostra a máquina do Abade Nollet (Jean Antoine, 1700-1770), pesquisador francês que muito contribuíu para o estudo da eletricidade, e que freqüentemente realizava demonstrações para a nobreza. O uso das mãos para atrito não era muito prático, e perigoso, o que levou ao uso de almofadas de couro em substituição às mãos, melhoria atribuída a Winkler (Johann Heinrich, 1703-1770), por 1744. Logo se descobriu que as almofadas funcionavam melhor se pulverizadas com pós metálicos, geralmente amálgamas diversos. Bose (Georg Matthias, 1710-1761) deu a forma final básica à máquina de atrito com globo, incluindo um coletor de carga isolado, coletando carga da superfície do globo através de pontas, ou simplesmente pela proximidade, como na demonstração acima. A máquina múltipla de Watson (William, 1715-1787) incorporava todos estes detalhes. Neste e neste "link" podem ser encontradas belas máquinas de globo.
Em 1752, Windsor, na Inglaterra, descreveu uma máquina usando um cilindro de vidro, com almofada de atrito e coletor de carga com pontas. Máquinas similares foram populares por muito tempo, como as construídas pelo construtor inglês Nairne (Edward, 1726-1806) a partir de 1770.
Em 1756, Sigaud de la Fond (Joseph Aignan, 1730-1810) construiu uma máquina usando um disco de vidro, em que apenas um lado era usado. A idéia foi aperfeiçoada pelo construtor Ramsden (Jesse, 1735-1800) em uma forma muito prática, usando os dois lados do disco, que se tornou um dos padrões para máquinas de atrito. A máquina de Ramsden usa um disco de vidro, atritado por quatro almofadas montadas em suportes verticais, e coletores de carga providos de pontas nos dois lados, ligados a uma estrutura de condutores isolados. Em algumas versões, o disco, após tocar nas almofadas, é coberto por uma aba de tecido isolante, como seda, para evitar descargas para as almofadas. Eu construí uma pequena máquina assim em 1975, usando um disco de acrílico. Minha máquina somente funciona se muito seca, e assim mesmo é fraca, devido ao pequeno tamanho.
Outra forma prática para a máquina de atrito é a de Winter (Georg Karl) ou de Le Roy (Jean Baptiste, 1720-1800). Consiste em um disco de vidro montado em um eixo isolante, atritado em um lado por uma dupla almofada de couro, com abas isolantes, e com coletores de carga na forma de anéis com pontas voltadas para o disco do outro lado. Tensões positivas são coletadas nos coletores de carga, e negativas nas almofadas isoladas. Esta máquina procura gerar a mais alta tensão possível, afastando tanto quanto possível as almofadas de atrito do coletor de carga. Modelos como os da figura eram fabricados ainda nos anos 1920. Era comum acoplar a esta máquina um anel de madeira com um fio metálico embutido ("anel de Winter"), o que se dizia aumentar a força das faíscas geradas (pela capacitância do anel), como visto nesta elaborada máquina, com um anel duplo.
Em 1784, Van Marum (Martinus, 1750-1827), na Holanda, junto com construtor de instrumentos Cuthbertson (John, 1743-1821) , construiu uma enorme máquina de atrito, com dois discos de 165 cm, que era capaz de gerar faíscas com mais de meio metro. Esta máquina está ainda hoje no museu Teylers. Van Marum projetou também uma máquina de disco, de onde se podia extrair cargas positivas ou negativas alterando a posição de algumas peças. Uma grande máquina assim foi usada por Georg Ohm, e está hoje no Deutches Museum.
Ao lado da máquina de Ohm, pode ser vista uma bateria de "garrafas de Leyden". Estes dispositivos, inventados em 1745, independentemente por Musschenbroek (Pieter van, 1692-1761), em Leiden (ou Leyden), Holanda e por von Kleist (Ewald Jürgen, c. 1700-1748) na Pomerânia, eram capacitores de alta tensão, formados por uma garrafa com folhas metálicas aplicadas dentro e fora, formando os dois terminais do capacitor. Originalmente, a garrafa de Leyden de Musschenbroek era apenas uma garrafa com água dentro, servindo de placa interna, e com a mão do experimentador servindo como placa externa, o que era suficiente para efeitos como faíscas brilhantes e barulhentas e fortes choques elétricos. Logo se tornou comum a conexão de garrafas de Leyden a máquinas eletrostáticas, para acumulação de energia.
Uma máquina de atrito usando vapor d'água foi desenvolvida por Armstrong, na Inglaterra, em 1840, após observações de que jatos de vapor emitidos por uma máquina a vapor transportavam significante carga elétrica (a observação foi feita por operadores, que aproximando uma mão de um jato de vapor e outra do metal da caldeira provocavam faíscas).
Em 1775, Volta (Alessandro, 1745-1827) descreveu o
"eletróforo perpétuo",
que consiste em uma placa isolante que é eletrizada por atrito, e uma
placa metálica com bordas arredondadas e um cabo isolante. Se a placa
metálica é encostada na placa isolante eletrizada e tocada, esta se
carrega com carga oposta à da placa eletrizada, e a carga assim gerada
pode ser retirada afastando-se a placa metálica, segurando-a pelo cabo. O
afastamento provoca aumento de tensão, e uma faísca pode ser obtida da
placa metálica. O processo pode ser repetido muitas vezes, enquanto a
placa isolante permanecer eletrizada. O processo de carga da placa
metálica do eletróforo, que é aterrada na presença do campo elétrico
gerado pela placa eletrizada, é chamado de carregamento por indução, ou,
melhor por distinguir o efeito da indução eletromagnética, carregamento
por influência eletrostática. Este processo de geração de eletricidade,
que não depende de atrito, é a base do funcionamento das chamadas
"máquinas de influência". Volta já descrevia na sua descrição original
métodos para aumentar a carga do eletróforo usando influência, antecipando
o desenvolvimento destas máquinas.
Em 1787, Bennet (Abraham, 1750-1799) descobriu que uma modificação do eletróforo podia gerar cargas maiores por sucessivas duplicações de uma pequena carga inicial. O "dobrador de Bennet" consiste em três placas isoladas, que através de movimentos, interconexões e aterramentos (por toque) realizam um processo que idealmente dobra a carga em duas das placas a cada ciclo. A idéia original era de usar o dispositivo para medidas de pequenas cargas elétricas, mas logo se observou (Cavallo (Tiberio, 1749-1809), 1788) que pequenas cargas não colocadas propositalmente, mas sempre presentes em toda parte, eram também amplificadas. Como construir um dobrador de Bennet (e um eletroscópio, em português).
A primeira máquina de influência considera-se que foi o "dobrador de Nicholson", que era uma versão rotativa do dobrador de Bennet, com todas as conexões feitas automaticamente ao se girar uma manivela, Note que as conexões que seriam à terra eram feitas a uma esfera isolada, que ficava apenas levemente carregada, pois as correntes que passam pelas conexões à terra no dobrador de Bennet são em sentidos opostos. Nicholson (William, 1753-1815) descreveu seu aparelho em um artigo (Philosophical Transactions, 1788) entitulado "Uma descrição de um instrumento que pelo girar de uma manivela produz os dois estados da eletricidade, sem fricção ou comunicação com a terra". Uma versão do aparelho, e outra versão, ambas com reais conexões à terra. Uma foto de uma máquina destas. Em 2000, eu construí um dobrador destes, seguindo o esquema original, que funciona como esperado.
Uma outra versão do mesmo dispositivo foi a "máquina
de Bohnenberger" (Gottlieb Christian, 1732-1807)
(1798), que girava as placas que são fixas no dobrador de Nicholson, com a
vantagem de mais simples balanceamento mecânico. Esta é apenas uma das
várias máquinas similares descritas por Bohnenberger. Eu construí uma máquina destas em 1998, adicionando placas
isolantes aos discos para obter mais tensão. Não é uma máquina forte, mas
funciona perfeitamente, e é intrigante. Um desenho
da máquina, e mais comentários,
em inglês. Eu também construí outros dobradores com movimento de vai-e-vem
desenhados por Bohnenberger, como este, com
operação similar ao
dobrador de Bennet, e este, com
operação similar à
máquina de Nicholson.
Um dispositivo também desenvolvido no fim do século XVIII foi o "multiplicador
de Cavallo". Neste aparelho, uma carga inicial era dada a uma placa
fixa A, isolada, e uma placa móvel B era alternadamente aterrada próxima à
placa A e posta em contato com uma terceira placa C, que tinha próxima uma
quarta placa D, aterrada, formando um capacitor com ela. A placa móvel
transferia uma quantidade fixa de carga para a placa C a cada ciclo, e as
cargas eram acumuladas no capacitor CD. A placa D era então removida, o
que aumentava a tensão nas duas placas do capacitor, que podiam ser
examinadas com um eletroscópio. O multiplicador de Cavallo se mostrava um
instrumento mais confiável que o dobrador de Bennet, pois operava com
todas as placas em relativamente baixa tensão durante a operação de
multiplicação. Um desenvolvimento foi a "máquina
de
Wilson" (1804), que consistia em dois multiplicadores de Cavallo
montados de forma que um aumentava a carga de excitação do outro. Eu
construí uma versão dela em 2007, que funciona muito bem e permite a
realização de vários experimentos. Esta máquina tem saída bipolar e pode
ser facilmente modificada para operar em forma rotativa, É então uma
predecessora direta das máquinas simétricas desenvolvidas muito mais
tarde.
O dobrador de Bennet pode ser montado em forma rotativa, com contatos
fixos, como demonstrado no dobrador
de Bennet rotativo que construí em 2006.
Vários outros dobradores foram desenvolvidos, mas nenhum capaz de desempenho significativo. Um outro processo, mais efetivo, para aumentar cargas por influência foi introduzido por Belli (Giuseppe ,1791-1860)), na Itália, em 1831. A "máquina de Belli" consistia em duas placas metálicas isoladas dobradas em "U", dentro das quais girava uma barra isolante tendo dois discos metálicos nas extremidades. Os discos tocavam escovas na parte mais interna das placas externas, e tocavam também escovas em uma barra que curto-circuitava os discos quando estavam saindo do interior das placas. Quando os discos tocavam as escovas internas, qualquer carga presente neles era transferida para as placas externas (de acordo com princípio estabelecido por Faraday, de que cargas colocadas no interior de um condutor se movem para a superfície do condutor). Quando a seguir os discos eram curto-circuitados entre sí, eles se carregavam com cargas opostas às das placas por influência. Com a continuação da rotação, estas cargas eram então transferidas para as placas externas, reforçando suas cargas. Muitas máquinas com significante potência foram desenvolvidas usando este princípio, como as de Varley e de Lord Kelvin (o "replenisher"), Um desenho, similar a uma pequena máquina que construi em 1973.
Em 1865, Holtz e Toepler, apresentaram suas primeiras máquinas, que tiveram fundamental importância no desenvolvimento das máquinas de influência. A "máquina de Holtz de primeiro tipo" consistia em um disco de vidro que girava em frente a um disco fixo um pouco maior. No disco fixo, na parte de trás, estavam fixadas placas de papel, com linguetas que se projetavam através de janelas, terminando próximas à superfície traseira do disco rotativo. Na frente do disco rotativo eram colocados pentes para coletar cargas, ligados aos terminais da máquina. Garrafas de Leyden eram usadas para intensificar faíscas e permitir contínua passagem de corrente pelos coletores de carga. Outra máquina destas. A máquina funciona como um duplo "eletróforo contínuo", bipolar, com as placas indutoras carregadas por cargas repelidas da superfície traseira do disco rotativo, quando este passa pelas linguetas. Holtz introduziu também uma melhoria que tornava a máquina mais estável (a máquina básica invertia polaridade ou perdia excitação facilmente), na forma de uma barra neutralizadora, colocada como uma carga adicional, a certo ângulo após a passagem do disco pelos coletores de carga, como neste diagrama, e nestes desenhos de uma máquina de Holtz que construí em 1997, vista de frente, e por trás. A máquina de Holtz original com neutralizador era assim. Holtz desenvolveu também uma máquina com dois discos girando em sentidos opostos, conhecida como a "máquina de Holtz de segundo tipo" (1867), que é direta antecessora das excelentes máquinas de Wimshurst e de Bonetti. Na verdade, pode-se dizer que Holtz inventou estas máquinas em 1869, quando apresentou esta máquina, praticamente uma máquina de Wimshurst sem setores e com coleta de carga somente no disco da frente, com um sistema diferente para fazer os discos girarem em sentidos opostos. As máquinas de Holtz não partem sozinhas, exigindo uma carga inicial para iniciar a operação, o que pode ser feito com uma máquina excitadora de atrito. Uma foto de minha máquina de Holtz, e mais comentários sobre máquinas de Holtz, em inglês, texto em português sobre máquinas de Holtz.
A "primeira máquina de Toepler" (1865) era também um duplo eletróforo contínuo, mas usava dois discos rotativos e duas placas indutoras, em duas montagens separadas com um eixo comum, com estas conexões A saída de uma das seções era usada para carregar a placa indutora da outra. Toepler colocou setores metálicos colados nos discos rotativos e escovas de fios metálicos nos coletores de carga. Isto fez com que sua máquina se tornasse auto-excitante, amplificando continuamente pequenos desbalanços iniciais de carga, como os dobradores faziam. Toepler desenvolveu também uma máquina simétrica (1866), iterconectando duas máquinas idênticas desta forma. A figura mostra também um multiplicador de energia, essencialmente dois eletróforos contínuos como a máquina de Bertsch, que podiam ser ligados à máquina básica para aumentar a tensão e a corrente de saída. Eu construí em 1997 uma pequena máquina de Toepler com dois discos, que era essencialmente a máquina simétrica de Toepler, com múltiplos setores nos discos e coletores de carga mais eficientes. É uma máquina muito prática e robusta, capaz de gerar faíscas relativamente longas para o tamanho da máquina (7 cm para discos de 17 cm). Construí também uma máquina grande, que não teve tão bom desempenho, para o tamanho. Mais comentários em inglês sobre estas máquinas. Um artigo em francês sobre máquinas desenvolvidas por Toepler posteriormente está disponível na área de referências.
Lord Kelvin (William Thomson, 1824-1907) apresentou em 1868 uma máquina de água, que funcionava de forma similar à máquina simétrica de Toepler, mas usando gotas d'água como portadores de carga. Esta máquina ainda é de uso comum em laboratórios hoje, para demonstrações, e muitas descrições dela podem ser achadas na Internet. Um artigo em francês sobre um aperfeiçoamento desta máquina está disponível na seção de referências.
Um tipo de máquina de influência diretamente derivado do eletróforo foi desenvolvido por Bertsch (e, independentemente, por Piche), em 1866. A "máquina de Bertsch" consistia em um disco de vidro (D) que girava em frente a uma placa de ebonite eletrizada manualmente (I). Em frente à placa de ebonite, do outro lado do disco de vidro, um pente metálico com uma série de pontas (a), aterrado, depositava cargas sobre a superfície do vidro, realizando o mesmo papel do toque no disco do eletróforo. Na outra extremidade do disco de vidro, outro pente (b) coletava cargas do disco em alta tensão, como ocorre com as cargas no disco do eletróforo quando este é afastado da placa eletrizada. Um condutor (C) armazenava alguma carga, e faíscas podiam ser obtidas nos terminais (A, B). Uma máquina semelhante é a de Dubrowski, ainda usada para demonstrações de física nos anos 1920. Os artigos originais de Bertsch e Piche podem ser encontrados aqui na área de artigos.
Uma evolução do "eletróforo contínuo" foi a "máquina de Carré" (1868), que em vez de uma placa eletrizada manualmente usava uma máquina de atrito para excitação. Tinha também um coletor de carga mais eficiente, com uma placa isolante por trás do disco rotativo, que ficava carregada após algum tempo, e ajudava a "empurrar" cargas do disco para as pontas do pente coletor. Um desenho, e duas fotos de máquinas de Carré: Uma máquina restaurada por J. Newman, na Austrália, e outra, em um museu na Espanha.
Várias modificações da máquina de Holtz surgiram no século XIX. A "máquina de Schwedoff" (1868) não possuia indutores fixos, mas apenas pentes de pontas que carregavam a superfície traseira do disco fixo com cargas tomadas do circuito de saída. Tinha também um elemento adicional com dois discos que podia ser usado para aumentar a corrente de saída da máquina. Um disco fixo possuia dois grupos de setores metálicos colados, interconectados em dois blocos, alternadamente. Estes indutores eram conectados aos pólos da máquina principal. A corrente de saída era coletada sobre um disco de vidro que girava em frente ao disco com os indutores, por um sistema de pentes coletores. Uma variação da máquina.
A "máquina de Kundt" (1868) era uma máquina de atrito usando um lado do disco rotativo, tendo do lado oposto dois pentes como na máquina de Bertsch. Uma máquina similar foi a de Cantoni (1869), com terminal adicional para permitir o uso como máquina de atrito, talvez para comparação.
A "máquina de Leyser" (1873) era disposta como neste diagrama. Essencialmente é uma máquina de Holtz com a saída normal usada como neutralizador e uma nova saída tomada em uma posição onde a tensão se torna mais elevada. Eu construí uma máquina assim em 1998, que depois de várias modificações (ver comentários) ficou assim, com escovas de finos fios metálicos coletando cargas para excitar os indutores. Em condições favoráveis, a máquina produz faíscas de mais de 10 cm. Uma modificação, com a intenção de evitar reversões de polaridade, é a "máquina de Weinhold" (1887), que usava bastões de madeira como indutores, sem placas isolantes separando os indutores do disco rotativo. Isto também reduzia sensivelmente a máxima tensão alcançável. Eu construí uma máquina assim também, modificando a máquina de Leyser..
Righi, na Itália, estudou várias máquinas originais, incluindo uma máquina de correia (1875), e várias máquinas usando um tubo de borracha com anéis metálicos, como o "eletrômetro de Righi" (1872), e versões bipolares (1875), como esta, com polias aterradas, e esta, com circuito neutralizador que dispensa aterramento. Estas máquinas são diretas antecessoras do gerador de Van de Graaff e similares (abaixo).
A "máquina de Voss", inventada em 1880 pelo construtor de instrumentos Robert Voss, em Berlin, era uma modificação da primeira máquina de Holtz, em que as placas indutoras eram carregadas a partir da frente do disco rotativo. O disco rotativo tinha uma série de botões metálicos colados, que tocando escovas metálicas na barra neutralizadora e nos contatos que carregavam os indutores, permitiam a auto-excitação da máquina. Diagrama. As placas indutoras eram de papel, mas com uma tira metálica sob o papel, o que tornava sua operação menos variante quanto à humidade ambiente. Após excitada, a máquina passava a utilizar as áreas limpas do disco rotativo também, através de pentes com pontas nos neutralizadores e coletores de carga. Toepler apresentou no mesmo ano uma máquina muito similar, e assim esta máquina é também conhecida como "máquina de Toepler-Holtz". Estas máquinas eram freqüentemente construídas múltiplas, para maior corrente de saída, como esta máquina dupla, e esta máquina quádrupla. Eu construí uma excelente máquina de Voss dupla em 1998. Comentários em inglês sobre ela. Um texto em português sobre a máquina de Voss.
Uma modificação da máquina de Voss, pela conexão direta dos indutores ao circuito de saída e o uso de um disco com muitos setores metálicos, é a "máquina de Lebiez" (diagrama). Esta máquina resulta uma versão mais isolada do "replenisher" de Lord Kelvin, ou da máquina de Belli (ver acima). A figura mostra um modelo que fiz (na verdade reinventei) em 1996 (comentários). Construí também uma pequena versão cilíndrica, com setores do lado de fora do cilindro rotativo (comentários).
A "máquina de Wimshurst", descrita pela
primeira vez em 1883, acabou se tornando a máquina de influência mais
popular, sendo ainda hoje facilmente encontrável em laboratórios de
física. Consiste em dois discos isolantes, originalmente de vidro ou
ebonite, com uma série de setores metálicos colados, que giram em sentidos
opostos a curta distância. Duas barras neutralizadoras cruzadas, uma em
frente a cada disco, formam com estes dois pares de eletróforos contínuos
para geração de cargas. A saída é tomada nos dois lados dos discos, ao
longo do diâmetro horizontal, onde as tensões são mais elevadas, através
de coletores metálicos em "U" munidos de pontas voltadas para os discos.
Este diagrama mostra a disposição. Note o sentido
da rotação. Se a máquina for girada ao contrário, as altas tensões
aparecem nos setores superior e inferior, e nada é coletado nos setores
laterais. A máquina de Wimshurst é auto-excitante, nunca inverte a
polaridade durante a operação, e é relativamente confiável. Aqui está um
texto em inglês explicando mais detalhadamente como
funciona. E aqui está um texto em
português sobre a máquina de Wimshurst. Mais algumas máquinas:
Uma das primeiras máquinas construídas por
Wimshurst, uma elaborada máquina dos 1920's, um
outro tipo, com suporte horizontal dos
terminais, uma máquina dupla, uma quádrupla,
outra, e uma óctupla.
Estas máquinas múltiplas eram usadas como fontes em primitivas máquinas de
raios X. A maior máquina de Wimshurst já
construída (comentários), construída pelo
próprio James Wimshurst em 1884, está hoje em um museu em Chicago, EUA.
Eu construí uma pequena máquina em 1974,
descrita, em inglês, aqui. Em 1997,
restaurei duas máquinas pertencentes ao Museu da Escola de Engenharia da
UFRJ. A primeira foi uma máquina com discos de
ebonite, de tipo que era comum nos anos 1920 (descrição).
Outra, bem mais interessante, foi uma grande máquina
de Ducretet e Roger, que ficou assim, e
produz faíscas de até 18 cm. Mais comentários,
em inglês, sobre esta máquina, cujo modelo
data dos 1890's.
Em 2000, eu construí uma poderosa máquina dupla, ou "triplex",
que usa a pequena distância entre as seções para obter um significante
aumento da corrente de saída.
Em 2001, construi duas variações da máquina de Wimshurst, que chamei de "meia máquina de Wimshurst" e "máquina
de Wimshurst desdobrada". A primeira reproduz o mecanismo de
influência que acontece nos quadrantes inferior e superior dos discos da
máquina regular. A segunda divide um dos discos em dois. Resultaram duas
máquinas de tensão alternada, que revertem polaridade a cada tantas
rotações.
Outras máquinas de Wimshurst que construí são uma máquina com setores isolados e uma máquina cilíndrica. Há vários lugares na Internet
descrevendo máquinas de Wimshurst. Veja na seção de "links".
Wimshurst estudou também um tipo de máquina de tensão alternada (1891), e aperfeiçoou a máquina de Holtz, na forma com disco fixo substituído por pares de placas, conhecida como máquina de Holtz-Wimshurst (1878)
A "máquina de Bonetti" (1894) era uma versão sem setores da máquina de Wimshurst, com múltiplas escovas nos neutralizadores. A ausência de setores permite um significante aumento na tensão de saída, ao custo da perda da auto-excitação da máquina. Uma variação, já usada por Holtz (ver acima) usava pentes com pontas nos neutralizadores, com os discos girando sem contato com nada. Esta máquina gera tensões mais elevadas que qualquer das outras máquinas de discos sem isolação especial. Eu construí uma máquina de Bonetti em 1996 (comentários), que produz facilmente faíscas de mais de 15 cm (máximo de 16.5 cm), usando discos de 31 cm. Um desenho da máquina. Em 1999, eu restaurei uma grande máquina de Bonetti quádrupla, construída por Radiguet e Massiot, para o museu da EE/UFRJ. A máquina era similar a esta, tripla. Comentários sobre a restauração, em inglês. Com aquela máquina vieram alguns discos extra, que pertenceram a uma outra máquina antiga. Começando em dezembro de 1999 eu aproveitei os discos para construir uma máquina de Bonetti clássica, parecida com este desenho.
A "máquina condensadora de Wommelsdorf" (1902-1920) era uma máquina eletricamente similar à máquina de Voss, mas com as superfícies carregadas altamente isoladas. Os indutores nos discos fixos e os setores nos discos móveis eram encapsulados em ebonite. A máquina era construída com indutores dos dois lados do disco rotativo para maior excitação, e com múltiplas seções para maior corrente. O acesso aos setores nos discos móveis era feito por uma ranhura na borda dos discos. Em algumas versões, a máquina era totalmente fechada, com vários conjuntos de neutralizadores ligados a botões acessíveis externamente. O disco rotativo era, nas primeiras versões, composto de dois discos, contendo setores estreitos e com bordas afiadas entre eles, de forma a que cargas ficassem distribuídas por ampla área do espaço entre estes discos. Nas últimas versões, os discos eram construído com setores metálicos totalmente envolvidos em material isolante, com acesso pelas bordas. Wommelsdorf desenhou muitas variações destas máquinas entre 1902 e 1920, incluíndo uma versão de dupla rotação, análoga a uma máquina múltipla de Wimshurst, para sua Tese de Doutorado em 1904. Um desenho de uma máquina condensadora dupla de Wommelsdorf que terminei no início de 2001. Mais comentários sobre a máquina, em inglês.
A "máquina de Wehrsen" (1907) foi também primeiramente descrita por Wommelsdorf, e popularizada pelo construtor Alfred Wehrsen. Era uma máquina de Holtz com setores encapsulados em ebonite no disco móvel, e indutores isolados por placas de celulóide no disco fixo. Um par de chaves permitia a conexão direta dos terminais aos indutores, o que fazia com que a máquina pudesse partir como um "replenisher". Um dos desenhos de Wommelsdorf para uma máquina de alta velocidade, e a máquina "Mercedes" de Wehrsen. Planos para uma máquina destas que comecei a construir em 2001, e para uma versão reduzida. Esta máquina foi completada em abril de 2002, e funciona muito bem. Uma descrição detalhada da máquina, em inglês.
Estas máquinas, e algumas outras, foram expostas em uma exposição na UFRJ em 2002. Algumas estão atualmente sendo
usadas para demonstração na exposição
permanente do Espaço COPPE Miguel de Simoni Tecnologia e
Desenvolvimento Humano.
A era das máquinas eletrostáticas de discos chegou ao fim, ao menos para objetivos práticos, com o desenvolvimento do gerador de Van de Graaff, primeiramente descrito em 1931. Esta máquina, ainda usada em física de alta energia e comum em laboratórios para demonstrações, consiste basicamente em uma correia isolante que transporta cargas até o interior de um terminal esférico, onde a carga é extraída e se move para a superfície exterior do terminal. O carregamento da correia é feito na base da máquina, por um sistema que provoca uma descarga corona de pontas para a superfície da correia que sobe. Isto pode ser feito utilizando-se uma fonte eletrônica de alta tensão ligada entre as pontas e a polia inferior da correia, com um dos lados aterrado ou (de forma mais sensível às condições de isolação e humidade) usando o atrito de rolamento entre a correia e uma polia de material também isolante, diferente do material da correia, com o pente de pontas aterrado. A forma do gerador de Van de Graaff é ideal para geração de tensões muito altas, o que de qualquer forma requeriria um grande terminal esférico para retenção de carga. O transporte de carga por correia é também uma forma particularmente conveniente para transporte a uma distância longa. Acrescente-se um acionamento motorizado e uma fonte eletrônica para excitação e tem-se um gerador que evita a maior parte dos problemas das máquinas clássicas. Em 1999 eu construí um gerador de Van de Graaff duplo, capaz de operação bipolar, similar à máquina original de Van de Graaff. Não é uma máquina particularmente otimizada, especialmente devido ao uso de uma correia externa, não isolada do terminal, mas funciona adequadamente. Comentários em inglês sobre meu gerador. A construção do terminal, a obtenção de uma correia suficientemente isolante e resistente, e a motorização eficiente (eu particularmente não gosto do barulho. As máquinas de acionamento manual são silenciosas) são problemas recorrentes na construção desta máquina. Há muitas descrições do gerador de Van de Graaff disponíveis na Internet (ver "links"), inclusive em português. Uma enorme máquina construída por Van de Graaff em 1934 está em exposição no Museu de Ciências de Boston, EUA. Veja também a máquina que restaurei para uma exposição na UFRJ, e uma outra máquina. mais poderosa.
Outros geradores eletrostáticos modernos: Variações do gerador de Van de Graaff como o "Pelletron" e o "Laddertron", usam cadeias de portadores metálicos isolados entre si em vez de uma correia contínua (ver "links"). Os geradores cilíndricos de Felici, funcionam no mesmo princípio, mas usando um cilindro rotativo, e são usados em física de alta energia. Todas as máquinas profissionais de alta voltagem atuais operam em atmosfera controlada, geralmente um gás altamente isolante a alta pressão. Os "Dirods" de A. D. Moore, são "replenishers", ou máquinas de Belli, usando varetas para transporte de carga, e são descritos em seu livro. O gerador de Lorente, gera cargas por atrito de rolamento entre cilindros de materiais isolantes diferentes, e usa cilindros metálicos rolantes como coletores de carga. Geradores baseados em capacitores variáveis e componentes eletrônicos tem sido desenvolvidos para aplicações de coleta de energia de vibrações mecânicas. Eu realizei alguns estudos sobre isto, usando estes geradores eletrostáticos eletrônicos.
Máquinas de Nollet, Bertsch, Voss e Wommelsdorf
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Estabelecido em 11 de novembro de 1999
Última alteração: 7 de julho de 2014
© 1999-2014 Antonio Carlos M. de Queiroz
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