máquina de Wimshurst
"Classica"!
(Implementing
a
"classic" Wimshurst machine)
A vida é interessante. Algumas pessoas deixam de lado sonhos da infância , outras simplesmente não conseguem deixá-los de lado. Desde menino, lendo antigos livros na biblioteca da escola aonde estudava, sonhava um dia poder construir e operar uma verdadeira máquina eletrostática. Fascinou-me aprender um pouco sobre a estrutura da matéria, o modelo atômico, o elétron - mas eu precisava "ver ao vivo" tudo aquilo que lia. Em especial a máquina de Wimshurst, que aparecia em muitas ilustrações, chamava minha atenção.
Infelismente as dificuldades para a construção de algo assim são grandes, especialmente se não se tem recursos financeiros e materiais para a sua implementação. A vida passou, veio a internet e um dia, procurando informação sobre descargas elétricas para um trabalho que devia fazer para meu curso de física, encontrei o website do Professor Antonio Carlos Queiroz (http://www.coe.ufrj.br/~acmq/wimport.html) - lembrei imediatamente deste sonho deixado para trás - e me perguntei : por que não resgatá-lo?
Passei então a estudar e construir diferentes versões da máquina de Wimshurst. A primeira máquina foi doada a uma escola estadual aqui em Porto Alegre, aonde espero algum dia que um garoto curioso como fui possa se sentir motivado a estudar física. A segunda máquina foi doada ao núcleo de ensino de ciências na faculdade de biologia da PUC/RS - NECBIO, para treinar futuros professores a executar demonstrações de eletrostática.
Esta página apresenta com detalhes a implementação de minha terceira máquina de Wimshurst, numa versão que a meu ver está bem próxima daquelas que eu conhecí nos livros de física. Se voce quiser poderá assistir a um vídeo com esta máquina funcionando, operando com as diferentes versões de garrafas de Leyden que testei clicando aqui.
Gostaria de comentar aqui um aspecto interessante desta atividade a que me dediquei: devido à grande quantidade de operações necessárias para se obter as peças para montar estas máquinas, decidi estudar e adquirir um pequeno torno chinês, uma furadeira de bancada me foi doada por meu amigo e irmão Claus Collats. Aprendi muito sobre a confecção de peças com meu amigo Nestor Vogel, que também me ajudou em diversas operações mais complicadas. Também pesquisei muito sobre materiais, inclusive havendo construído um voltimetro eletrostático para poder determinar o potencial desenvolvido por minhas máquinas.
Meu objetivo com este projeto era construir algo bonito e funcional como esta máquina antiga:
A vida é interessante. Algumas pessoas deixam de lado sonhos da infância , outras simplesmente não conseguem deixá-los de lado. Desde menino, lendo antigos livros na biblioteca da escola aonde estudava, sonhava um dia poder construir e operar uma verdadeira máquina eletrostática. Fascinou-me aprender um pouco sobre a estrutura da matéria, o modelo atômico, o elétron - mas eu precisava "ver ao vivo" tudo aquilo que lia. Em especial a máquina de Wimshurst, que aparecia em muitas ilustrações, chamava minha atenção.
Infelismente as dificuldades para a construção de algo assim são grandes, especialmente se não se tem recursos financeiros e materiais para a sua implementação. A vida passou, veio a internet e um dia, procurando informação sobre descargas elétricas para um trabalho que devia fazer para meu curso de física, encontrei o website do Professor Antonio Carlos Queiroz (http://www.coe.ufrj.br/~acmq/wimport.html) - lembrei imediatamente deste sonho deixado para trás - e me perguntei : por que não resgatá-lo?
Passei então a estudar e construir diferentes versões da máquina de Wimshurst. A primeira máquina foi doada a uma escola estadual aqui em Porto Alegre, aonde espero algum dia que um garoto curioso como fui possa se sentir motivado a estudar física. A segunda máquina foi doada ao núcleo de ensino de ciências na faculdade de biologia da PUC/RS - NECBIO, para treinar futuros professores a executar demonstrações de eletrostática.
Esta página apresenta com detalhes a implementação de minha terceira máquina de Wimshurst, numa versão que a meu ver está bem próxima daquelas que eu conhecí nos livros de física. Se voce quiser poderá assistir a um vídeo com esta máquina funcionando, operando com as diferentes versões de garrafas de Leyden que testei clicando aqui.
Gostaria de comentar aqui um aspecto interessante desta atividade a que me dediquei: devido à grande quantidade de operações necessárias para se obter as peças para montar estas máquinas, decidi estudar e adquirir um pequeno torno chinês, uma furadeira de bancada me foi doada por meu amigo e irmão Claus Collats. Aprendi muito sobre a confecção de peças com meu amigo Nestor Vogel, que também me ajudou em diversas operações mais complicadas. Também pesquisei muito sobre materiais, inclusive havendo construído um voltimetro eletrostático para poder determinar o potencial desenvolvido por minhas máquinas.
Meu objetivo com este projeto era construir algo bonito e funcional como esta máquina antiga:
Em
face a todo o conhecimento e experiência que adquiri, quer
através de pesquisa e experimentação,
quer pela
troca de idéias com o professor Antonio Carlos Queiroz e
dado o
caráter multidisciplinar que envolve um projeto deste tipo,
recomendo
fortemente que todos os que por ele se interessam que efetivamente
coloquem-no em prática!
Início do Projeto
Para o dimensionamento da máquina (tamanho dos discos, estimativa da corrente de saída, etc. utilisei o software desenvolvido pelo professor Antonio Carlos M. Queiroz, o WMD (clique aqui para download). Usando este software optei pelos seguintes valores:
Início do Projeto
Para o dimensionamento da máquina (tamanho dos discos, estimativa da corrente de saída, etc. utilisei o software desenvolvido pelo professor Antonio Carlos M. Queiroz, o WMD (clique aqui para download). Usando este software optei pelos seguintes valores:
Tela
do software WMD
já com os valores preditos para minha máquina
De acordo ao calculado, minha máquina poderá produzir faíscas de mais de 20 cm e uma corrente de pouco mais de 26 microampéres. Claro que isto é teórico, e dependerá do material utilizado na sua implementação e nas condições ambientais em que a máquina for utilizada.
Preparação
dos discos
Material
empregado: Discos
de
acrílico 4 mm, cortado nas dimensões adequadas;
fita auto-adesiva de alumínio
Sem
dúvida
esta é uma das tarefas mais
complicadas de se
fazer se não houver o recurso material
necessário. Os
meus discos são de acrílico de 4 mm de
espessura e
diâmetro de 43,5 cm. Foram cortados com uma serra tico-tico
elétrica e então fixados em um eixo preso ao
carro porta
ferramentas em um torno, em cuja placa foi fixada uma ferramenta
constituída de um disco de madeira com uma lixa colada
nele.O
resultado foi bom, obtive dois discos bem iguais e circulares.
Discos de acrílico cortados - técnica para fazer discos redondos em um torno
O
passo
seguinte foi demarcar o local de colagem dos setores. Construí
então em uma folha de
papelão uma
escala de referência , usando um transferidor, e marquei a
posição dos setores,
Passei então a fabricar os setores. eles são construídos a partir do corte de uma fita de alumínio auto-adesiva (marca Scotch) cortadas usando uma ferramenta especial que mandei fazer em uma fábrica de artefatos para a indústria calçadista. Naturalmente os setores podem ser recortados à tesoura, mas como eu pretendí construir uma máquina bem "profissional"... separados por ângulos de 20º. (São 18 setores).
Passei então a fabricar os setores. eles são construídos a partir do corte de uma fita de alumínio auto-adesiva (marca Scotch) cortadas usando uma ferramenta especial que mandei fazer em uma fábrica de artefatos para a indústria calçadista. Naturalmente os setores podem ser recortados à tesoura, mas como eu pretendí construir uma máquina bem "profissional"... separados por ângulos de 20º. (São 18 setores).
Ferramenta de corte mandada construir para a fabricação dos setores
O setor é
cortado batendo a ferramenta contra uma madeira
(estampagem) usando um martelo
Coloquei o disco de acrílico sobre a escala e iniciei a colagem dos setores , usado como guia o desenho feito no papelão.
Primeiro setor sendo colado no acrílico. Pode-se ver o desenho no papelão abaixo dele; disco com todos os setores colados.
Discos prontos, como eu queria! Detalhe do rolo de fita adesiva de alumínio.
Os
Neutralizadores
(Neutralizers implementation)
(Neutralizers implementation)
Os
neutralizadores foram construídos com barras de
aço
inox retiradas da grelha de um fogão velho, cortada
cuidadosamente com uma serra para metal. No ponto central fiz um furo e
rosca de 4mm e fixei uma esfera para acabamento de um lado e uma porca
para ajuste no outro. O conjunto foi fixado ao eixo da
máquina
aonde foram previamente montados os bosses com rolamento e os discos.
Desta maneira posso girar os neutralizadores e fixar sua
posição apertando a porca interna com uma chave
de boca,
e o conjunto fica bonito. Na extremidade que toca os discos fixei um
tubo de latão torneado e perfurado com parafusos 3mm, nos
quais
coloquei uma malha de latão que retirei de um velho
magnetron de
forno de microondas.
Vista do conjunto discos/eixo/neutralizadores, pronto para ser colocado no suporte da máquina.
Garrafas
de Leyden (capacitores)
(Leyden Jars construction)
(Leyden Jars construction)
Já
comentei que implementar máquinas eletrostáticas
requer
muita paciência e experimentação; nem
sempre as
soluções planejadas funcionam como esperado.
Testei
várias formas de construção para as
garrafas de
Leyden (capacitores de alta tensão) até chegar em
uma que
funcionasse adequadamente.
Primeira tentativa: Mandei confeccionar num vidreiro um par de tubos de vidro Pyrex, fechados em uma extremidade, para a implementação dos capacitores de alta tensão de minha máquina. A tampa dos mesmos foi torneada em Nylon, e nelas fiz um furo para a passagem de um terminal cilindrico. Também fiz um pequeno furo na lateral das tampas e neles fiz rosca M3, aí coloquei um parafuso para fixar os eixos nas tampas. Por dentro e por fora do vidro colei a mesma fita metálica de alumínio usada na confecção dos setores, formando as duas placas dos meus capacitores. O contato da placa interna dos capacitores com a haste metálica que sai pela tampa é feito por uma pequena peça de latão dobrado (ver figuras abaixo) que vai presa à haste por um parafuso (a haste foi furada no sentido do comprimento e foi aberta rosca M3 em seu interior para a fixação do parafuso). Os capacitores desta forma construídos foram medidos usando minha ponte RLC e apresentam capacitância de aproximadamente 120 pF (118pF e 121pF). Não posso precisar sua tensão de ruptura, (pois não pretendo alcança-la!) mas testei os mesmos com minha fonte de alta tensão e os mesmos funcionaram sem problemas até 32kV DC (a tensão máxima da minha fonte). Como eles são ligados em série na máquina de Wimshurst tenho a certeza de que pelo menos 64kV de isolação eles deverão ter (supondo uma distribuição igual de tensão já que a capacitância deles é aproximadamente mesma). O problema é que o vidro mostrou-se inadequado para minha aplicação, pelo menos assim, sem verniz. A corrente de fuga apresentada é alta, acredito que por causa da condensação de água no mesmo. Por este motivo abandonei este projeto, partindo para uma solução com potes de plástico.
Garrafas lindonas mas com alta fuga - não deram certo!
Primeira tentativa: Mandei confeccionar num vidreiro um par de tubos de vidro Pyrex, fechados em uma extremidade, para a implementação dos capacitores de alta tensão de minha máquina. A tampa dos mesmos foi torneada em Nylon, e nelas fiz um furo para a passagem de um terminal cilindrico. Também fiz um pequeno furo na lateral das tampas e neles fiz rosca M3, aí coloquei um parafuso para fixar os eixos nas tampas. Por dentro e por fora do vidro colei a mesma fita metálica de alumínio usada na confecção dos setores, formando as duas placas dos meus capacitores. O contato da placa interna dos capacitores com a haste metálica que sai pela tampa é feito por uma pequena peça de latão dobrado (ver figuras abaixo) que vai presa à haste por um parafuso (a haste foi furada no sentido do comprimento e foi aberta rosca M3 em seu interior para a fixação do parafuso). Os capacitores desta forma construídos foram medidos usando minha ponte RLC e apresentam capacitância de aproximadamente 120 pF (118pF e 121pF). Não posso precisar sua tensão de ruptura, (pois não pretendo alcança-la!) mas testei os mesmos com minha fonte de alta tensão e os mesmos funcionaram sem problemas até 32kV DC (a tensão máxima da minha fonte). Como eles são ligados em série na máquina de Wimshurst tenho a certeza de que pelo menos 64kV de isolação eles deverão ter (supondo uma distribuição igual de tensão já que a capacitância deles é aproximadamente mesma). O problema é que o vidro mostrou-se inadequado para minha aplicação, pelo menos assim, sem verniz. A corrente de fuga apresentada é alta, acredito que por causa da condensação de água no mesmo. Por este motivo abandonei este projeto, partindo para uma solução com potes de plástico.
Garrafas lindonas mas com alta fuga - não deram certo!
Segunda tentativa:
Adquiri dois potes de
plástico,
usados para guardar algodão, em um supermercado. Revesti os
potes com alumínio aderente por dento e por fora, e torneei
tampas de acrílico transparente para fechar os
mesmos.
Torneei também uma base de madeira redonda com um rebaixo no
centro, envernizer e aparafusei estes pés na base da
máquina. A conexão do terminal de aço
5mm com a
placa interna do capacitor eu fiz usando uma corrente dourada usada em
bijouterias, e o conjunto ficou bom. Testei estes capacitores
preliminarmente; agora, eles ficam carregados por muito tempo,
diferentemente dos que havia feito antes. Medí sua
capacitância com minha ponte RLC, e encontrei 119 pf em um e
121
pf no outro, valores que estão dentro do que eu esperava, e
adequados à màquina. Entretanto suas
dimensões
foram inadequadas à tensão gerada na minha
máquina. Faiscas saltavam entre as placas, contornando a
borda
do capacitor assim construído. Funcionou, e talvez ficasse
bem
em uma máquina com discos de uns 30 centímetros,
mas
não na minha máquina atual!
Um
pote de
algodão foi usado na
segunda versão das minhas garrafas de leyden. Observe a
corrente
que faz a conexão com a placa interna. A máquina,
como ficou com estes capacitores baixinhos.
Terceira tentativa:
Resolvi
cortar dois canos de acrílico (tubos e acrílico)
de 20 cm
de comprimento e colar uma tampa de acrílico na parte de
cima.
Na parte de baixo cortei um disco de madeira que envernisei e parafusei
na base da máquina. O conjunto assim construído
serviu de
sustentação para os coletores de carga e
terminais de
descarga. Ficou lindo! Entretanto, devido ao fato dos tubos
não
serem fechados no fundo com material melhor isolante que a madeira,
à medida que a tensão subia durante a
operação da máquina podia observar
streamers de
fuga. isto limita a tensão máxima obtida com a
minha
máquina. Pretendo substituí-los no momento em que
conseguir copos fechados de acrílico ou plástico.
A máquina com os capacitores da terceira tentativa. Ficou bonita, mas com limitação no desempenho por cusa da fuga entre a placa interna e a base de madeira. Além disto o acrílico começou a trincar, acredito que por causa do stress devido à alta intensidade do campo elétrico entre as placas.
Preparação
do eixo dos discos e Bosses
(Disk and bosses preparation)
Esta é outra parte relativamente complicada na fabricação da máquina de Wimshurst: O mecanismo de permite aos discos girarem em sentidos contrapostos. Seguindo os conselhos dados pelo Professor Antonio Carlos Queiroz optei por utilizar rolamentos ao invés de buchas no eixo dos discos. Em tarugos de nylon foram escavados buracos aonde foram encaixados rolamentos (extraídos de velhos motores) e tudo foi montado sobre um eixo de 1/4 de polegada. Com isto se conseguiu que não houvesse folga nos discos, podendo então montá-los um bem próximo do outro. Pode-se fazer isto com buchas também. O problema é conseguir um mínimo de folga, além do rápido desgaste que pode ocorrer em função do material utilizado. Na minha quarta máquina usei bosses de nylon diretamente sobre o eixo de aço, que funcionam bem também, mas o atrito é maior.
Esta é outra parte relativamente complicada na fabricação da máquina de Wimshurst: O mecanismo de permite aos discos girarem em sentidos contrapostos. Seguindo os conselhos dados pelo Professor Antonio Carlos Queiroz optei por utilizar rolamentos ao invés de buchas no eixo dos discos. Em tarugos de nylon foram escavados buracos aonde foram encaixados rolamentos (extraídos de velhos motores) e tudo foi montado sobre um eixo de 1/4 de polegada. Com isto se conseguiu que não houvesse folga nos discos, podendo então montá-los um bem próximo do outro. Pode-se fazer isto com buchas também. O problema é conseguir um mínimo de folga, além do rápido desgaste que pode ocorrer em função do material utilizado. Na minha quarta máquina usei bosses de nylon diretamente sobre o eixo de aço, que funcionam bem também, mas o atrito é maior.
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