La tormenta eléctrica dentro de una botella

Motivado por una discusión en el foro de científicos aficionados, http://www.cientificosaficionados.com/foros/viewtopic.php?f=7&t=13765 estuve haciendo algunas experiencias con el generador de Van Der Graaff, la idea era poder registrar chispas lo mas largas y brillantes posibles, en un momento se me ocurrió colocar una botella plástica con agua directamente sobre la esfera (En mi caso parece un huevo mas que una esfera ya que es un viejo sifón de acero inoxidable), la experiencia es muy buena, agrego fotografías y un video, me dejó asombrado el experimento.

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Una vez terminada la experiencia descargar el VGD y Ojo!!!! Cuidado!!!!! la botella con el agua es un condensador que lleva cargas acumuladas y da descargas bastante respetables.

El video

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El Pelletron, versión made in house

 

Algo de teoría

Este aparato es utilizado en aceleradores de partículas de forma similar a un generador de Van Der Graaff, con el mismo es posible conseguir diferencias de potencial del orden de los 0.5 hasta 25 Megavolts

La carga eléctrica se genera mediante un sistema de transporte mecánico, por medio de una cadena de "pellets", esta cadena tiene sus eslabones aislados unos de otros y se comportan como capacitares que por un sistema de ionización o inducción se cargan  por acción de una fuente de alta tensión, una vez cargados son transportados a un terminal como la esfera de un Van Der Graaff.

Los pelletrones comerciales están en un sistema cerrado lleno de un gas aislante como el hexafloruro de azufre (F6S)

Este tipo de generadores es muy usado en aceleradores de partículas, tiene algunas ventajas sobre el GVDG, las cadenas del pelletron son mas resistentes que las bandas de los GVDG y pueden soportar mayores velocidades por lo que pueden generar mayores tensiones.

Son herramientas muy usadas en física nuclear, el desarrollo y producción de semiconductores, la investigación farmacéutica,  espectrómetros de masas ultra sensibles, para la datación de carbono y la medición de otros isótopos raros.

Una imagen tomada de http://www.pelletron.com/charging.htm para ver su funcionamiento

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Agradecimientos:

Como siempre todos mis trabajillos son asesorados por gente que sabe mucho y que con gran desinterés siempre están aportando ideas para que las cosas funcionen, en este caso de cientificosaficionados.com Petruxx, Mendezag, Homer, y otros varios que colaboraron en el hilo http://www.cientificosaficionados.com/foros/viewtopic.php?f=7&t=7774

Recomiendo ver la versión casera de pelletron de Homer que se acerca mucho mas a lo que es un pelletrón ya que tiene la cadena y el sistema como el de la figura.

http://www.telefonica.net/web2/javq/Pelletron/Prueba_1.wmv

 

El pelletron casero

El modelo que yo presento es mucho más rústico y sencillo como podrán apreciar.

Hace bastante tiempo estuve investigando la posibilidad de cargar un GVDG con cargas provenientes de una fuente de alta tensión por lo que tenía una segunda versión de mi generador de Van Der con los mismos materiales, caño de PVC, esfera de otro sifón de acero inoxidable, correa de gomaeva y dos rodillos de aluminio, con esos elementos armé el prototipo.

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Los dos rodillos deben ser metálicos, hay que entender que este aparato no trabaja con triboelectricidad (fricción) por lo que los rodillos no deben ser como en el caso del GVDG de materiales opuestos en la tabla triboeléctrica, Los rodillos en el pelletron van a oficiar de armadura de los capacitores móviles de la cadena.

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La cadena en si, es una banda de gomaeva a la que se le adhirieron sectores de papel de aluminio que la envuelven, a modo de eslabones.

En la parte inferior como puede verse en la imagen hay una chapa de bronce donde va conectado el positivo de la fuente de HT (Unos 10Kv) el negativo va al chasis del motor, la tensión no debe provocar arcos entre los sectores de aluminio y la chapa de bronce esta parte del aparato es el inductor, como se puede apreciar este modelo carga solamente a la subida, tiene un solo inductor a diferencia del comercial que tiene dos y es alimentado por una fuente partida + – 50Kv.

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En esta foto puede verse el arco del aparato en funcionamiento.

He puesto un video en youtube donde se ve todo el montaje y su funcionamiento, en este video la forma de carga de los pellets es por ionización a diferencia de lo que explique mas arriba (inducción), por eso se puede ver el arco en el rodillo inferior, es otra manera de cargar este tipo de aparatos.

  

Diez pruebas con la Wimshurst

Con la colaboración de un activo miembro del foro de http://www.cientificosaficionados.com el amigo DavidFl hemos completado diez pruebas con la maquina de Wimshurst tratando de no repetir las que ya figuran en este blog con el título 10 pruebas con el GVG, que como todos sabemos es también al igual que la Wimshurst un generador de cargas estáticas.

Gracias David por los aportes
Acá va el documento:

Diez pruebas con la Wimshurst

 

  1. Generación de Ozono

Muchas máquinas electrostáticas producen en el ambiente la aparición de este gas de un olor característico, el olor característico de la tormenta eléctrica. Este gas tan nombrado se produce por la exitación de los átomos de O2  por chispas eléctricas, los mismos se combinan con otro átomo de O y dan  O3.

Este gas es un bactericida muy potente, además desodorante, pero inhalado durante bastante tiempo es venenoso así que ojo con la nariz, un ratito esta bien mas hace mal.

 

  1. Las pelotitas inquietas:

Con un frasco de vidrio se perfora el fondo y se le coloca en el fondo un piso metálico, por el agujero que se practicó se pasa un conductor metálico, que puede ser un tornillo, en el interior del frasco se colocan varias pelotitas de aluminio de horno, por medio de unas cadenitas o cables se conecta el terminal superior a uno de los terminales de la Wimshurst y con otra cadenita la tapa metálica del frasco. Se pone en marcha la máquina y se verá un tremendo movimiento de las pelotitas. Puede realizarse el experimento también con pelotitas de telgopor pintadas con tinta china 

 

        

   
  1. Jugando tenis de mesa con la electrostática

Se colocan dos placas de aluminio separadas unos 6 cm  sobre un soporte de acrílico, entre ambas placas se pone un péndulo, ambas placas van conectadas a sendos electrodos de la máquina, una vez puesta en marcha comienza la función

Esto resulta una versión modificada de campanas de Franklin.

 

             

  1. El pararrayos

Este experimento resulta bastante llamativo, pero se sugiere tener un extintor a la mano, por si las moscas vió?

Se construye una maqueta de cartón y en el techo se le practica un agujero por donde se hace sobresalir un terminal que oficiará de pararrayos, inmediatamente bajo éste, hay algodón embebido en bencina o nafta. Uno de los terminales de la W, va conectado al pararrayos. Se le acerca el otro Terminal con la máquina en movimiento hasta que desprenda el arco, se verá que a la maqueta no le ocurre nada, luego el mismo terminal que hacía de pararrayos  se coloca por debajo del algodón  con combustible sin que sobresalga, se acerca el otro terminal y al primer arco la casita se incendia, con el extintor se procede a apagar.

 

        

   
  1. El agua como acumulador de cargas

En este experimento vamos a usar un frasco con agua hasta casi la boca, donde introducimos un vástago metálico que lleva montado en su parte superior un electroscopio formado por dos pelotitas de telgopor .

Se toca el vástago con uno de los terminales de la W y el electroscopio inmediatamente acusará la carga, luego se retira el Terminal de la W y se comprueba que el electroscopio se mantiene acusando la carga que quedó acumulada en el agua

            
Agua que acumula cargas

  1. Motor electrostatico con PET y latas de cerveza

Este motor consta de dos latas de cerveza como muestra la imagen, la botella de gaseosa de ½ litro tiene adherido dos trozos de papel aluminio, a su vez cada lata de de cerveza tiene dos escobillas que rozan la botella de gaseosa  por ambos lados. A cada lata se conecta uno de los electrodos de la W y se da marcha a la máquina, la PET comenzará a girar como un motor.

 

            
Motor electrostático con PET y latas de cerveza

7.      Comprobando la radiación Ultravioleta en los rayos 

Este experimento debe realizarse al oscuro, se acercan lo suficiente los terminales de la máquina para que los arcos sean bien brillantes y tengan una buena frecuencia, frente al operador hay que colocar una pantalla que no permita ver el arco, por otro lado se prepara un poco de soda cáustica en agua, con la que se moja un circulo en un papel blanco de hoja A4, la soda cáustica sobre el papel cuando esta húmeda, presenta una hermosa fluorescencia amarilla frente a la luz UV, con la mano se la sostiene en las cercanías de arco y se verá el efecto.

     8.  Visualización del campo eléctrico.

Esta prueba viene bien combinarla con la visualización de los campos magnéticos. Se prepara un plato plástico con aceite de cocina mas o menos 1 cm de aceite, flotando en el aceite se colocan semillas de césped, luego se acerca uno de los electrodos de la W y se observa la figura, luego se prueban diferentes configuraciones, los dos polos, dos terminales con cargas del mismo signo, electrodos circulares, etc.

   

        

  1. Comprobando la ley de Gauss

Se prepara una malla conductora flexible de unos 10 cm de ancho por unos 25 de largo, sobre el borde mas largo se ponen flecos de papel de ambos lados, tambiéen puede hacerse colgando trozos de telgopor, después se coloca sobre unos aisladores y se toca con el electrodo la malla metálica, se verán los flecos levantarse de ambos lados. Una vez hecho esto se unen los extremos mas cortos de la malla quedando un cilindro, con flecos internos y externos, de la misma forma se coloca el dispositivo sobre un aislante y se toca con el electrodo la malla. Solo los flecos externos se levantaran comprobando  que las cargas

siempre tienden a ir a la parte exterior. 

     

Placa metálica con pendulos de telgopor para comprobar GaussPlaca metálica hecha un tubo con solo los péndulos externos levantados

  

     10.  El centellador

Esta experiencia es muy bonita, en un tubo de vidrio de unos 40 cm de largo puede ser de algún material de laboratorio o limpiando bien algún tubo fluorescente, se pegan trocitos de aluminio en forma de rombo con sus puntas enfrentadas y separadas alrededor de 2 mm, Se pegan con cemento de contacto formando una serpentina alrededor del tubo. En ambos extremos se hace una vuelta completa de papel aluminio, allí irán conectados ambos terminales de la Wimshurst. Cuando se pone en marcha la maquina los arcos saltaran simultáneamente formando una figura alrededor del tubo, hace acordar a las luces de los árboles de navidad

      

Modelo de centellador con un tubo de vidrio de una buretaUn modelo de centellador con un tubo fluorescente

     

11. Una más… La bailarina electrostática

Una pequeña figura de aluminio baila y flota entre las dos placas de un condensador conectado a la máquina de Wimshurst, una de las placas es un elctróforo, la otra una chapa de aluminio que esta en el piso.

  

 

    

 

La Máquina de Winshurst en accion (video)

 He modificado un poco el diseño porque me saltaban chispas entre las secciones como asi tambien en las "garrafas" de desodorante, Los resultados resultaron bastante favorables, casi ya estoy conforme con mi Wimshurst, esta produciendo arcos del orden de los 4 cm, pueden ver en la sección fotos la nueva estructura que sostiene a los colectores y ademas he dejado las garrafas de Leyden sueltas para probar nuevos materiales, además para sacarlas en casos de presentaciones con alumnos, no olvidar que son capacitores con altísimo voltaje y muy alta corriente, una descarga eléctrica con los mismos puede ser muy peligrosa (fibrilación cardiaca)
Incluyo otro video

  

Las escobillas de nicromeArco de 20 mmSe ha modificado el soporte de los coelctoresLa Garrafa de Leyden  esta sueltaVista superior de los terminales de una manija de ventana antiguaEl arco de 4 cm
 

La máquina de Wimshurst casera

Se parte de dos discos de acrílico de 20 cm de diámetro, concéntricos con él llevan pegados unas poleas de 3.5 cm de diámetro. Como estos discos deben girar es conveniente colocarle algún buje metálico, para ello pueden usarse las válvulas de inflado de neumáticos de bicicleta.

Cada disco llevará pegados con cianoacrilato 20 sectores de chapa de aluminio que pueden cortarse de latas de gaseosa de unos 4 cm de largo por 1,4 cm en su parte más ancha, en forma de lágrima, con todos sus bordes redondeados, la separación de un sector con el otro debe ser tal que entre ambos entre otro sector.

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Por otra parte se fabricaran con el mismo acrílico dos poleas más de 7 cm de diámetro que irán solidarias a una manija.

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El soporte irá sobre un trozo de fibrafácil de unos 30 x 30 cm y estará construido en acrílico también, aunque puede hacerse con madera bien seca y barnizada.

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El juego de poleas inferior solidarios con la manivela

Para los colectores se usó caño de cobre y para un perfecto aislamiento se usaron tubos de vidrio.

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Las barras neutralizadoras son de alambre de cobre gruesa y las escobillas son pequeños resortes de alambre de nicrome de la resistencia de un viejo secador de cabellos, estas escobillas hacen contacto físico con los sectores

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Las jarras de Leyden fueron fabricadas con sendos tubos de aluminio provenientes de unos desodorantes. El propio tubo hace de armadura interna, luego se envuelven sobre el mismo unas 7 u 8 vueltas de acetato transparente, el de tapas de carpeta y sobre este va la segunda armadura que es un trozo de aluminio del que se usa para cocinar al horno de 4,5 cm de ancho. En el siguiente diagrama puede verse como se dispone el capacitor aislándolo con acrílico

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Los electrodos son de bronce, de un viejo picaporte, en esta imagen pueden verse las dos correas que hacen girar los platos, una esta cruzada para que giren uno en cada sentido.

Para entender mejor el funcionamiento agrego este esquema y una explicación breve de cómo trabaja la máquina

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Esta es una máquina electroestática de influencia que genera alta tensión en dos terminales esféricos (F) donde se producen las chispas. Consiste en dos discos (A-B) de material aislante electrizable soportados sobre un mismo eje muy próximos uno del otro, donde el sentido de giro es opuesto entre ambos, girando la manivela. En la parte externa de cada disco hay colocadas pequeñas láminas ó sectores (A1-B1) de aluminio con terminaciones redondeadas o de otro material conductor formando entre ellas un patrón simétrico a lo lago de la circunferencia de cada disco. Estas tiras se electrizan por inducción (influencia) y las cargas generadas serán recogidas por colectores (G-H) los cuales están conectados a los terminales de descarga (F) que a su vez estarán potenciados por garrafas de Leyden (J). A su vez el dispositivo lleva por cada disco una barra neutralizadora (C1/C2 – D1/D2) que cortocircuita mediante peines de contacto o sistema similar dos tiras conductoras opuestas en dicho disco.

A grandes rasgos, la carga es generada cuando las láminas metálicas entran en contacto con los “peines” de la barra estabilizadora, donde una de la láminas pierde electrones y la lámina del extremo contrario los gana a través de dicha barra la cual es de material conductor, entonces tenemos una lámina positiva y la opuesta negativa. Esto se hace con los dos discos en rotación opuesta donde las dos láminas que tenemos cargadas se alinean con otras dos en el disco opuesto induciendo cargas opuestas. Al final la máquina está funcionando como doble electróforo de Volta en cada disco. En los laterales de los discos hay también dos colectores de carga en forma de “puntas” los cuales no están en contacto físico con los discos, los cuales se encargan de recoger uno cargas positivas y el otro colector cargas negativas, a su vez estos colectores se conectan a las barras de descarga potenciadas por garrafas de Leyden. La máquina normalmente arranca sola al girar la manivela porque siempre existe un desequilibrio natural en las cargas existentes en los discos sobre todo si se utilizan diferentes metales en las láminas ó sectores y en las barras neutralizadoras.

Diez experimentos con el Van Der Graaff

 Diez experimentos con el GVG

 

  1. Efecto de carga de pequeños cuerpos y posterior repulsión de los mismos.

  Se cortan pequeños trozos de papel de aluminio los que son colocados cobre la esfera del generador, luego se le da marcha y se produce un efecto como de erupción de un volcán

Otra forma es colocando moldecitos de aluminio para tarteletas apilados, a medida que se van cargando de a uno se van despidiendo.

  Otro experimento sencillo y que causa impacto en los alumnos consiste en colocar un trozo de papel higiénico cortado en flecos pegado con unas cintas adhesivas.

  Una variante del experimento anterior consiste en cortar un mechón de pelos de unos 20 cm de largo, en el medio sujetarlo con un alambre rígido el es puesto en contacto con la esfera y pegado a la misma con cinta.

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  2. Carga de condensadores de alta tensión

  El experimento es interesante pero debe ser realizado solo por el profesor y no permitir que los alumnos lo hagan, los condensadores por inofensivos que parezcan se cargan con gran cantidad de corriente (amperes) y si uno toca las dos placas puede provocarle hasta una fibrilación cardiaca, como anécdota, accidentalmente toque un condensador (el mismo de las fotos) y la descarga me dejo atontado por un rato,  hay cierto tipo de armas de defensa personal que se basan en esto.

Se acerca el condensador a la esfera  hasta hacer contacto con la misma luego con un cable se muestra la chispa de descarga entre las dos placas. También se puede acercar a un electroscopio que marcara la presencia de carga eléctrica.

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  1. Viento iónico

  Hay una forma muy sencilla de comprobar este fenómeno, se pega con cinta una aguja metálica a la esfera y se acerca una vela encendida, se verá el desplazamiento de la llama, Este experimento puede provocar la ionización de todo el ambiente y si una persona esta aislada cercano a la punta  se carga eléctricamente y si toca a otra le provocara una pequeña descarga (inofensiva) es propicia para amenizar la clase. También si se esta en un lugar oscuro puede hacer parpadear los tobos fluorescentes por ionización del gas.

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  1. Motor iónico

  Es un experimento sencillo que causa impacto, es una aplicación del experimento anterior, se corta un huso de aluminio en el centro se coloca algún soporte para que pueda girar libremente y se doblan las puntas una hacia arriba y la otra hacia abajo. Luego se afirma una aguja en forma vertical sobre la esfera y en el extremo se coloca la hélice, se da marcha al generador e inmediatamente de produce el movimiento.  

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  1. Descarga de chispas (rayos)

  Este fenómeno conviene realizarlo en un ambiente algo oscuro ya que se visualizara además el plasma electrónico. Se toma con una pinza un objeto de bastante masa algo esférico, yo utilizo una manija de bronce antigua. Dependiendo de la diferencia de potencial (voltaje) que alcance el GVG al acercarlo podemos obtener chispas de 10 a 20 cm de largo, también hay que tener en cuenta que la humedad del ambiente influye, la pinza debe sujetarse fuertemente para no sentir algún cosquilleo

  También se pueden logar chispas largas acercando un tubo fluorescente esto también ionizara el gas del tubo.

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  6. Carga de una persona

  Este experimento es el que mas impacto causa entre los alumnos, para tener éxito en esto debemos “afilar” muy bien el generador. Debemos buscar una persona de poca masa muscular cabello largo fino y limpio. Lo hacemos subir a una plancha de telgopor medio gruesa y le hacemos tocar la esfera con el gvg apagado y descargado luego lo ponemos en marcha y OHHHHHH!!!!!!!

Pelos de punta

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  1. Inducción y campo eléctrico

  El campo eléctrico es muy simple de verificar paseando por las cercanías de la esfera un electroscopio, se verán las plaquitas mas o menos separadas de acuerdo a la intensidad. La inducción la podemos verificar tocando un cuerpo aislado con la esfera y luego acercarlo al electroscopio. Podemos aislar nuestro cuerpo subiendo a placa de telgopor tocar la esfera con la pinza y la manija de bronce del experimento 5 luego levantamos la manija y sin bajar del aislante tocamos el electroscopio, o algún alumno puede acercar el electroscopio a nuestro cuerpo verificando el campo

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  1. Jaula de Faraday

  Se construye con tejido mosquitero metálico una especie de jaula en cuyo interior se coloca un electroscopio, luego se acerca el conjunto al GVG y se constata que el electroscopio no acusa carga, luego se hace el mismo experimento sin la jaula y se comprueba que las plaquitas se distancian.

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  1. Campanas de Franklin

  Se fabrica un dispositivo con dos latas de gaseosa una lapicera plástica y un péndulo hecho con un cabello y uno de los anillitos de apertura de las latas (ver figura) a una de las latas se la conecta con un cable a la esfera y a la otra con un cable a tierra, es hecha a andar el generador provocando un golpeteo del péndulo contra ambas latas varias veces por segundo.

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  Aqui una variante un poco menos rústica

     

 

     10.  Fotos Kirlian

  Esto es algo mas taquillero que aplicación pero puede hacerse sin problemas, en un cuarto oscuro con una tenue luz (foco de 15W recubierto de papel celofan rojo) se hace un sanwich con una hoja de vegetal verde recién cortada atado a su pedúnculo un cable a tierra, luego papel fotográfico blanco y negro con el lado sensible hacia la hoja verde y por último un soporte de acrílico o algún aislante largo que podamos acercar al GVG, ponemos en marcha el generador y acercamos el paquete , veremos una corona eléctrica alrededor de la hoja, revelamos y listo 

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Modificaciones al generador de Van Der Graaff

Mejoras al generador de Van Der Graaff casero

 

Como era de esperar, no me conforme con las chispas de 7 cm y eso sumado a que mi generador no le movía un pelo a nadie, decidí modificarlo. Debo agradecer la invalorable ayuda del foro de www.cientificosaficionados.com  donde me dieron varias ideas. Lo primero fue alargar el soporte, estaba hecho de unos 30 cm de altura y  lo llevé a unos 65 en total contando la altura de la esfera, como el motor de extractor no me convencía porque tiene unas 2000 vueltas y me parecía poco, lo cambié por uno de licuadora con carbones, que levantan muchísimas rpm, tuve que poner un dimmer para controlar esas vueltas porque no había correa que aguantara, en la foto se ve el dimmer en una caja verde con una perilla de control. El siguiente problema a resolver fue la correa porque el látex de las bombachas de bebe no aguantaba, así es que probé con un material que se llama gomaeva o foami, viene en planchas como si fuera una cartulina y es fantástico para trabajar, se corta bárbaro con la tijera y se pega perfectamente con “La gotita”, también fue preciso resolver el tema del rodillo superior, saqué de una impresora de desguase un rodamiento chiquito después lo forré con cinta de teflón, haciéndolo mas gordo en el medio de esa forma la correa no se desplaza para los costados, el rodillo de abajo es de pvc concéntrico con el mismo, un tubo de vidrio, como no daban bien las medidas enrollé cinta de enmascarar hasta que entró apretado, en la foto puede verse este rodillo directamente montado con el eje del motor.

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Los montajes del motor fueron hechos con un viejo mecano de mi hijo lo mismo el  soporte que hace contacto con la esfera. Una cosa importante, es preciso limpiar perfectamente el tubo de PVC por donde circula la correa,  yo había lubricado el rodamiento superior y la correa había dejado una marca a un costado por donde se escabullían las cargas y el aparato rendía muy poco. También fue necesario cubrir con cinta aisladora todo el borde, donde el sifón de acero inoxidable sufrió la cirugía con la amoladora, el efecto corona se hace importantísimo y se esfuman las cargas.

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Después de todas estas mejoras las chispas son de alrededor de 20 cm y logré electrizar personas.