El generador de Kelvin

Autores:

Marc Domènech Vadillo

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En este apartado explicaremos, una vez construido el modelo, cómo hacerlo funcionar. Primero de todo tenemos que coger la botella y tapar los agujeros con cinta adhesiva para que no salga el agua. A continuación tenemos que llenar la botella procurando que el nivel del agua no llegue a la mitad del depósito ya que si no habría un escape por el agujero del tapón. Una vez preparado el depósito tenemos que colocar los aislantes en los sitios adecuados (debajo de la base, debajo de los potes y debajo de la estación de chispas) y montar las diferentes estructuras sobre éstos. Después de eso tenemos que fijar una altura para el depósito introduciendo los tacos de madera a través de los laterales y aguantando los listones. Después colocamos los contrapesos dentro de los recipientes metálicos y posteriormente colgamos los anillos de los ganchos. Acto seguido ponemos los listones largos móviles en el piso elegido y encima situamos el depósito. A continuación desplazamos los anillos justo debajo de cada agujero del depósito y conectamos el fuelle a través de la válvula. Finalmente con unas pinzas retiramos los adhesivos de los agujeros inferiores del depósito, damos presión al fuelle y esperamos un rato (15-20 segundos) a que se cargue el aparato. Una vez vemos que el chorro de agua empieza a desviarse pasado el anillo, cogemos los cables que salen de los potes y los acercamos. Dependiendo de la distancia que separa las puntas de los cables, veremos saltar la chispa. Si es así, separamos los cables, dejamos que aumente la diferencia de potencial entre los dos recipientes y dejamos cargar de nuevo el generador. El cuerpo humano también es conductor de electricidad estática: si al tocar los cables con las manos vemos que se descarga el dispositivo (los chorros de agua no se rompen), podemos intentar ponernos unos guantes de plástico para evitar pérdidas de electricidad. De esta manera conseguiremos un funcionamiento óptimo de nuestro generador.

¿Qué se pretende demostrar?

El generador de Kelvin es un dispositivo con el cual se puede generar y almacenar electricidad estática y, finalmente, hacer saltar una chispa entre dos cables.

En este generador podemos distinguir distintas partes. Siguiendo el modelo de la Imagen 1, éstas son las siguientes: en la parte inferior encontramos los recipientes metálicos "A" y "B", los cuales están unidos, por separado, con los anillos metálicos "C" y "D", respectivamente, mediante conductores electrostáticos, que pueden ser desde hilos eléctricos hasta alambres. En la parte superior del esquema hay un depósito contenedor "E" de la sustancia (agua), el cual tiene dos pequeños orificios, colocados justo encima de los anillos, por donde saldrá el líquido. Aparte de estos elementos, aunque no están mostrados en la imagen, también hay aislamientos electrostáticos bajo cada recipiente, como podría ser metacrilato o porexpan, con el fin de impedir el tráfico de cargas de un recipiente al otro o del sistema al ambiente.

El generador de Kelvin se basa en el principio de la carga por inducción electrostática. ¿Pero cómo se aplica este principio a este aparato? Pues la explicación es la siguiente: primero de todo tenemos que pensar que por algún fenómeno como puede ser el campo magnético de la Tierra, la humedad, los rayos cósmicos, etc., uno de los recipientes metálicos siempre tiene una carga ligeramente superior o inferior al otro. Como el funcionamiento es un poco enrevesado y sería bueno poner un ejemplo, supongamos un caso hipotético (ver Imagen 1) en el cual el pote "A" (y el anillo "C") tienen una ligera carga positiva, y el pote "B" (y el anillo "D") una de negativa.

Empezamos con que los chorros de agua, en los cuales hay dispersas cargas positivas y negativas, igual que en todo el fluido, caen uno a través de cada anillo. Debido a la carga de los anillos, éstos no cederán el paso a todas las cargas, sino sólo a las de signo contrario. Así pues, mediante un pequeño campo eléctrico, el anillo "C" dejará pasar las cargas negativas y repelerá las cargas positivas, fenómeno que también se producirá con el anillo "D" pero al revés. A medida que pase el tiempo, el recipiente "A" incrementará la concentración de cargas positivas y el recipiente "B" la de negativas, produciendo cada vez una repulsión mayor al chorro de agua y aumentando la diferencia de potencial entre éstosdos. Éste es un caso hipotético, pero a la realidad se puede determinar la polaridad de los potes con la ayuda de un electroscopio electrónico. Hay un momento, sin embargo, que el campo eléctrico de cada anillo es tanto intenso que en vez de sólo repeler las cargas del mismo signo, lo que hacen es atraer las cargas de signo contrario, de manera que la diferencia de potencial se mantiene más o menos constante. Hasta entonces, si esta diferencia llega a ser suficiente, se produce el tráfico de cargas de un tarro a otro a través del aire, de manera que las proporciones de cargas vuelvan a ser como al comienzo. Este tráfico de cargas es el que nosotros apreciamos como una chispa.

Dirigido a:

Secundaria (cursos avanzados) y universidad.

Materiales necesarios:

Las herramientas que se han utilizado para construir el generador de Kelvin son las siguientes:

• Regla
• Escuadra
• Lápiz
• Sierra eléctrica
• Lima para metales (fina)
• Lija
• Mordaza
• Martillo
• Barrena
• Destornillador
• Taladradora
• Brocas de 1, 2, 3 i 6 mm ø
• Alicates
• Soldador
• Sierra de arco
• Cortador de tubos
• Pelacables
• Cúter
• Tijeras

Los materiales utilizados son los siguientes:

• Plancha de madera de 200 × 17 mm
• Listones de madera de 15 × 10 mm
• Listones de madera de 25 × 15 mm
• Alambre de 2,0 mm ø
• Hilo de cobre de 1,75 mm ø
• Tacos de madera de 30 mm i 6 mm ø
• Regletas de conexión
• 6 láminas de metacrilato de 3 mm de grosor
• 4 trozos de porexpan de 15 mm de grosor
• 4 trozos de porexpan de 19 mm de grosor
• Un pisapapeles de plástico
• 2 potes metálicos (de conserva de alimentos)
• Estaño
• Hilo eléctrico
• Escuadras de 40 × 15 mm
• Clavos de 1,4 × 25 mm
• Tornillos de 3 × 20 mm
• Teflón
• Válvula de aire de 2 mm ø
• Chapa fina
• Botella de plástico (sin curvas)
• Tubos metálicos:
  • Ø2 de 19 mm i 20 mm ø
  • Ø2 de 19 mm i 25,2 mm ø
  • Ø2 de 19 mm i 46,3 mm ø
  • Ø2 de 39 mm i 20 mm ø
  • Ø2 de 39 mm i 25,2 mm ø
  • Ø2 de 39 mm i 46,3 mm ø

Riesgos:

El generador de Kelvin es un aparato muy especial que funciona con unas características muy concretas, dependiendo también del modelo. Así pues, los principales problemas que puede tener una persona al fabricar uno son los siguientes: los aislamientos electrostáticos tienen que ser abundantes para no tener pérdidas de electricidad; el agua tiene que caer en forma de chorro (no muy grueso), no en gotas; la altura del depósito respecto a los anillos no tiene que ser muy grande ya que como más velocidad tengan las cargas al pasar a través de los anillos, éstos no las podrán desviar de su trayectoria y el generador no se va a cargar.

Enlaces:

Referencias bibliográficas:

• Boada, Marc. 2006. “Generador electrostático de Kelvin”. Investigación y ciencia, 356, pp. 84-86.
• Nadal, Lluís. 2010. “Generador electrostàtic de goteig de Kelvin”, Revista Recursos de física, 5, pp. 2-9.
• Nadal, Lluís. 1985. “Electroscopi electrònic”. Protocolos del CDEC.

Enlaces

Para saber más:

En Internet, y en especial en las páginas web que he anunciado, hay bastante información acerca del generador de Kelvin, aunque no es muy fiable ya que pueden encontrarse muchos puntos de vista con respecto al funcionamiento del aparato, y otra totalmente falsa. Aun así, si alguien está interesado en cualquier aspecto de este instrumento, yo puedo, encantado, enviarle por correo electrónico mi trabajo de investigación acerca del generador de Kelvin (disponible en catalán y en castellano). Esta información está tratada y seleccionada bajo los principios físicos adecuados y con un lenguaje y explicaciones correctos. Para cualquier otra duda podéis consultármelo también a través de mi correo.

Observaciones:

Recomiendo fuertemente la construcción de este generador electrostático ya que es una forma muy curiosa de generar electricidad estática mediante un principio de funcionamiento sorprendente. Además (al menos des de mi punto de vista) es prácticamente imposible creer que un instrumento con estas características pueda generar electricidad estática a no ser que uno lo vea con sus propios ojos; y la mejor manera de verlo es construyendo uno y probando sus posibles combinaciones hasta obtener un resultado satisfactorio.

Por otra parte incito a los lectores a que, mediante vuestro esfuerzo y el de todos, popularicéis este extraño, desconocido, pero absolutamente sorprendente invento que sacó a la luz Lord Kelvin el año 1867 y que algunos hemos intentado (y pueda que conseguido) descubrir todos sus secretos.