Historia Wimshursst, jak to działa i aplikacje

Maszyna Wimshurst Jest to elektrostatyczny generator wysokiego napięcia i niskiego prądu, zdolnego do wytwarzania statycznego energii elektrycznej przez oddzielenie obciążeń, dzięki spinowi korby. Z drugiej strony, obecnie używane generatory, takie jak akumulatory, alternatory i dynamos, są raczej źródłami siły elektromotorycznej, które powodują ruchy obciążenia w obwodzie zamkniętym.

Maszyna Wimshursst została opracowana przez brytyjskiego inżyniera i wynalazcę Jamesa Wimshursta (1832–1903) w latach 1880–1883, poprawiając wersje generatorów elektrostatycznych zaproponowanych przez innych wynalazców przez innych wynalazków.

Maszyna Wimshurst. Źródło: Andy Dingley (skaner) [domena publiczna]

Wyróżnia się na poprzednich maszynach elektrostatycznych ze względu na niezawodną, ​​odtwarzalną pracę i prostą konstrukcję, będąc w stanie generować niesamowitą różnicę potencjałów między 90.000 i 100.000 woltów.

[TOC]

Części maszyny Wimshurst

Podstawą maszyny są dwa charakterystyczne dyski materiału izolacyjnego, z cienkimi arkuszami metali przymocowanymi i ułożonymi w postaci sektorów promieniowych.

Każdy sektor metalowy ma inny diametralnie przeciwny i symetryczny. Dyski mają zwykle o średnicy od 30 do 40 cm, ale mogą być również znacznie starsze.

Oba albumy są zamontowane na płaszczyźnie pionowej, a odległość od 1 do 5 mm jest oddzielona. Ważne jest, aby podczas zakrętu rekordy nigdy nie były dotknięte. Dyski są obracane w przeciwnych zmysłach poprzez mechanizm koła pasowego.  

Maszyna Wimshurst ma dwa metalowe paski równoległe do płaszczyzny obrotowej każdego albumu: One to the Outer of the First Album, a druga w kierunku zewnętrznej strony drugiego albumu. Te słupki są przeznaczone pod kątem w odniesieniu do drugiego.

Końce każdego paska mają metalowe miotły, które kontaktują się z przeciwnymi metalowymi sektorami na każdym dysku. Są znane jako paski neutralizujące.

Szczotki utrzymują sektor dysku, który dotyka na jednym końcu paska, z diametralnie przeciwnym kontaktem elektrycznym, z diametralnie przeciwnym. To samo dzieje się na drugim albumie.

Efekt tryboelektryczny

Sektory miotły i dysku są wykonane z różnych metali, prawie zawsze miedzi lub brązu, a aluminiowe dyski są wykonane z aluminium.

Może ci służyć: prędkość propagacji fali

Ulotny kontakt między nimi, podczas gdy krążki obracają się i późniejsze separacja, tworzy możliwość wymiany obciążeń przez adhezję. Jest to na przykład efekt tryboelektryczny, który może również wystąpić między kawałkiem bursztynu i wełnianego tkaniny.

Maszyna jest dodawana do maszyny (COMBS) Metallic w kształcie w kształcie U i kończy się na końcówkach lub metalowych kolcach, znajdujących się w przeciwnych pozycjach.

Sektory obu albumów przechodzą z wewnętrznej części U Collector, nie dotykając go.  Kolekcjonerzy są zamontowani na podstawie izolacyjnej, a z kolei są połączone z dwoma innymi metalowymi prętami wykończonymi sferami, ale albo są odtwarzane.

Gdy energia mechaniczna jest dostarczana do maszyny za pomocą korby, pocieszy.

Butelka lub dzban Leyden to kondensator z cylindryczną metalową zbroją. Każda butelka jest połączona z drugą płytą centralną, tworząc dwa skraplacze w szeregu.

Kiedy korba obraca się, istnieje tak wysoka różnica potencjałów elektrycznych między kulkami, że powietrze między nimi jest jonizowane i skacze iskrę. Kompletne urządzenie można zobaczyć na powyższym obrazku.

Zaangażowane zasady fizyczne

W maszynie Wimshursst energia elektryczna wychodzi z materii, która składa się z atomów. I z kolei składają się z ładunków elektrycznych: elektrony ujemne i dodatnie protony.

W atomie protony obciążenia dodatnie są zagęszczone w środku lub rdzeniu, a elektrony obciążenia ujemne wokół ich jądra.

Gdy materiał traci niektóre z najbardziej zewnętrznych elektronów. Wręcz przeciwnie, jeśli przechwytujesz elektrony, otrzymasz ujemne obciążenie netto. Gdy ilość protonów i elektronów jest taka sama, materiał jest neutralny.

Może ci służyć: aerostatyczny balon: historia, cechy, części, jak to działa

W materiałach izolacyjnych elektrony pozostają wokół ich jąder bez możliwości dotarcia. Ale w metalach jądra są tak blisko siebie, że najbardziej zewnętrzne elektrony (lub walencja) mogą skakać z jednego atomu do drugiego, poruszając się po materiale przewodzącym.

Jeśli jedna z twarzy metalowej płyty jest zbliżona do negatywnie obciążonej, wówczas elektrony metalu odsuwają się przez odpychanie elektrostatyczne, w tym przypadku do przeciwnej twarzy. Następnie mówi się, że płyta została spolaryzowana. 

Teraz, jeśli ta spolaryzowana płytka jest połączona przez kierowcę (słupki neutralizujące) przez ujemną twarz z inną płytą, elektrony poruszałyby się na drugą płytkę. Jeśli połączenie zostanie nagle przecięte, druga płyta jest naładowana ujemnie.

Cykl ładowania i przechowywania

Aby uruchomiła się maszyna Wimshurst, konieczne jest, aby niektóre metalowe sektory dysku miały nierównowagę obciążenia. Dzieje się tak naturalnie i często, zwłaszcza gdy istnieje niewielka wilgotność środowiska.

Kiedy dyski zaczną się obracać, będzie czas, w którym neutralny sektor przeciwnego dysku przeciwstawia się sektorowi załadowanemu. Indukuje to obciążenie o równej wielkości i przeciwny kierunek dzięki szczotkom, ponieważ elektrony są zmobilizowane przez odejście lub zbliżanie się, zgodnie ze znakiem skierowanego sektora.

Schemat maszyny Wimshurst. Źródło: Robertkuhlmann [domena publiczna]

Kolekcjonerzy w kształcie litery U są odpowiedzialne za zebranie obciążenia, gdy dyski są odpychane.

Aby to osiągnąć, w wewnętrznej części U stoi szczytami, ponieważ są przeczesywane w kierunku zewnętrznych twarzy każdego albumu, ale nie dotykając ich. Chodzi o to, że na końcówkach obciążenie dodatnie jest skoncentrowane, tak że elektrony wydalone z sektorów są przyciągane i gromadzone w środkowej płycie butelek.

W ten sposób sektor z kolekcjoner.

Może ci służyć: światła załamanie: elementy, prawa i eksperyment

W przeciwnym kolekcjonera, przeciwnie, kolektor dostarcza elektrony do płytki dodatniej, która jest skierowana.

Zastosowania i eksperymenty

Głównym zastosowaniem maszyny Wimshursst jest uzyskanie energii elektrycznej z każdego znaku. Ale ma niedogodności, że zapewnia dość nieregularne napięcie, ponieważ zależy to od działania mechanicznego.

Kąt paska neutralizującego można zmieniać w celu konfiguracji przy wysokim prądu wyjściowym lub przy wysokim napięciu wyjściowym. Jeśli neutralizatory są dalekie od kolekcjonerów, maszyna zapewnia wysokie napięcie (do ponad 100 kV).

Z drugiej strony, jeśli znajdują się blisko kolekcjonerów, napięcie wyjściowe zmniejsza.

Gdy zgromadzone obciążenie osiąga wystarczająco wysoką wartość, w sferach znajduje się wysokie pole elektryczne podłączone do centralnych płyt Denden. 

To pole jonizuje powietrze i wytwarza iskrę, pobierając butelki i powodując nowy cykl obciążenia.

Eksperyment 1

Efekty pola elektrostatycznego można zobaczyć, umieszczając karton między kulkami i obserwując, że iskry tworzą otwory.

Eksperyment 2

Do tego eksperymentu jest to potrzebne: wahadło wykonane z kuli pingowej pokrytej folią aluminiową i dwiema metalowymi arkuszami w postaci w kształcie litery L.

Piłka jest powieszona na środku obu arkuszy za pomocą nici izolacyjnej. Każdy arkusz łączy się z elektrodami maszynowymi Wimshursst za pomocą kabli kablowych.

Podczas obracania korby początkowo neutralna piłka będzie mieściła się między arkuszami. Jeden z nich będzie miał nadmierne ujemne obciążenie, które ulegnie piłce, które przyciągnie arkusz dodatni.

Piłka zdeponuje nadmiar elektronów w tym arkuszu, zostanie krótko zneutralizowana, a cykl zostanie powtórzony, gdy korba wciąż się obraca.

Bibliografia

1. Queiroz, do. Maszyny elektrostatyczne. Odzyskane z: coe.Ufrj.Br
2. Gacanovic, Myco. 2010. Zasady zastosowania elektrostatycznego. Odzyskane z: orbus.Być