Plik Maszyna Wimshursta Jest to generator elektrostatyczny wysokiego napięcia i niskiego natężenia prądu, zdolny do wytwarzania elektryczności statycznej poprzez separację ładunków dzięki obrotowi korby. Z drugiej strony, obecnie stosowane generatory, takie jak akumulatory, alternatory i dynama, są raczej źródłami siły elektromotorycznej, która powoduje ruch ładunków w obwodzie zamkniętym..
Maszyna Wimshursta została opracowana przez brytyjskiego inżyniera i wynalazcę Jamesa Wimshursta (1832-1903) w latach 1880-1883, ulepszając wersje generatorów elektrostatycznych proponowane przez innych wynalazców..
Wyróżnia się na tle poprzednich maszyn elektrostatycznych niezawodną, powtarzalną pracą i prostą konstrukcją, będąc w stanie wygenerować oszałamiającą różnicę potencjałów w zakresie od 90 000 do 100 000 woltów..
Indeks artykułów
Podstawą maszyny są dwa charakterystyczne dyski z materiału izolacyjnego, do których przymocowane są cienkie blachy, ułożone w kształt promieniowych sektorów..
Każdy sektor metalowy ma inny diametralnie przeciwny i symetryczny. Dyski mają zwykle średnicę od 30 do 40 cm, ale mogą być również znacznie większe.
Obie tarcze są zamontowane w płaszczyźnie pionowej i oddalone są od siebie o 1 do 5 mm. Ważne jest, aby dyski nigdy nie dotykały się podczas wirowania. Tarcze są obracane w przeciwnych kierunkach za pomocą mechanizmu koła pasowego.
Maszyna Wimshursta ma dwa metalowe pręty równoległe do płaszczyzny obrotu każdego dysku: jeden na zewnątrz pierwszego dysku, a drugi na zewnątrz drugiego dysku. Te pręty przecinają się pod kątem względem siebie.
Końce każdego pręta mają metalowe szczotki, które stykają się z przeciwległymi metalowymi sektorami na każdym dysku. Są one znane jako paski neutralizujące, nie bez powodu, aby je wkrótce zobaczyć..
Szczotki utrzymują elektryczny (metalowy) kontakt z sektorem dysku, który styka się z jednym końcem pręta, z sektorem znajdującym się po drugiej stronie średnicy. To samo dzieje się na drugim albumie.
Szczotki i sektory tarczy są wykonane z różnych metali, prawie zawsze z miedzi lub brązu, podczas gdy ostrza tarcz są wykonane z aluminium.
Ulotny kontakt między nimi podczas obracania się dysków i późniejsza separacja stwarza możliwość wymiany ładunków poprzez adhezję. Jest to efekt tryboelektryczny, który może również wystąpić np. Między kawałkiem bursztynu a wełnianym materiałem..
Do maszyny dodaje się parę metalowych kolektorów (grzebieni) w kształcie litery U i zakończonych metalowymi kolcami lub zębami, umieszczonymi w przeciwnych pozycjach..
Sektory obu dysków przechodzą przez wewnętrzną część U kolektora, nie dotykając jej. Kolektory są zamontowane na izolacyjnej podstawie i są z kolei połączone z dwoma innymi metalowymi prętami zakończonymi kulkami, zamkniętymi, ale nie dotykającymi się..
Kiedy energia mechaniczna jest dostarczana do maszyny za pomocą korby, tarcie szczotek wytwarza efekt tryboelektryczny, który rozdziela ładunki, po czym już oddzielone elektrony są wychwytywane przez kolektory i przechowywane w dwóch urządzeniach zwanych butelkami Leyden.
Butelka lub dzbanek Leyden to kondensator z cylindrycznymi metalowymi ramkami. Każda butelka jest połączona ze sobą płytą centralną, tworząc szeregowo dwa kondensatory.
Kręcenie rączką powoduje tak dużą różnicę potencjałów elektrycznych między kulkami, że powietrze między nimi jonizuje i iskra przeskakuje. Całe urządzenie można zobaczyć na powyższym obrazku.
W maszynie Wimshursta elektryczność pochodzi z materii, która składa się z atomów. A te z kolei składają się z ładunków elektrycznych: ujemnych elektronów i dodatnich protonów..
W atomie dodatnio naładowane protony są zagęszczone w środku lub jądrze, a ujemnie naładowane elektrony wokół jego jądra..
Kiedy materiał traci niektóre ze swoich najbardziej zewnętrznych elektronów, staje się naładowany dodatnio. I odwrotnie, jeśli wychwycisz kilka elektronów, otrzymasz ujemny ładunek netto. Gdy liczba protonów i elektronów jest równa, materiał jest obojętny.
W materiałach izolacyjnych elektrony pozostają wokół swoich jąder bez zdolności do zbytniego oddalania się. Ale w metalach jądra są tak blisko siebie, że najbardziej zewnętrzne elektrony (lub wartościowość) mogą przeskakiwać z jednego atomu na drugi, poruszając się po przewodzącym materiale..
Jeśli ujemnie naładowany obiekt zbliży się do jednej z powierzchni metalowej płytki, wówczas elektrony metalu oddalają się w wyniku odpychania elektrostatycznego, w tym przypadku na przeciwległą ścianę. Mówi się wtedy, że płyta uległa polaryzacji.
Teraz, jeśli ta spolaryzowana płytka jest połączona przewodnikiem (prętami neutralizującymi) po jej ujemnej stronie z inną płytką, elektrony przesuną się do tej drugiej płytki. Jeśli połączenie zostanie nagle przerwane, druga płyta zostanie naładowana ujemnie.
Aby maszyna Wimshurst uruchomiła się, jeden z metalowych sektorów na dysku musi mieć nierównowagę obciążenia. Dzieje się to naturalnie i często, zwłaszcza przy niewielkiej wilgotności..
Kiedy dyski zaczną się obracać, nastąpi moment, w którym sektor neutralny przeciwległego dysku przeciwstawi się sektorowi załadowanemu. To indukuje na nim ładunek równej wielkości i przeciwny kierunek dzięki szczotkom, ponieważ elektrony oddalają się lub zbliżają, zgodnie ze znakiem sektora zwróconego do siebie..
Kolektory w kształcie litery U są odpowiedzialne za zbieranie ładunku, gdy dyski odpychają się, ponieważ są naładowane ładunkami o tym samym znaku, jak pokazano na rysunku, i przechowują ten ładunek w podłączonych do nich butelkach Leyden..
Aby to osiągnąć, w wewnętrznej części litery U, szczyty jak grzebienie wystają skierowane w stronę zewnętrznych powierzchni każdego dysku, ale ich nie dotykają. Pomysł polega na tym, że dodatni ładunek koncentruje się na końcach, tak że elektrony wyrzucane z sektorów są przyciągane i gromadzą się w środkowej płycie butelek..
W ten sposób sektor zwrócony do kolektora traci wszystkie swoje elektrony i pozostaje neutralny, podczas gdy środkowa płyta Leydenu jest naładowana ujemnie..
W przeciwnym kolektorze dzieje się odwrotnie, kolektor dostarcza elektrony do płyty dodatniej, która jest zwrócona w jego stronę, dopóki nie zostanie zneutralizowana, a proces jest powtarzany w sposób ciągły.
Głównym zastosowaniem maszyny Wimshurst jest uzyskanie energii elektrycznej z każdego znaku. Ma jednak tę wadę, że dostarcza raczej nieregularne napięcie, ponieważ zależy od mechanicznego uruchomienia.
Kąt prętów neutralizatora można zmieniać, aby ustawić wysoki prąd wyjściowy lub wysokie napięcie wyjściowe. Jeśli neutralizatory są daleko od kolektorów, maszyna dostarcza wysokie napięcie (do ponad 100 kV).
Z drugiej strony, jeśli znajdują się blisko kolektorów, napięcie wyjściowe spada, a prąd wyjściowy rośnie, przy normalnych prędkościach obrotowych do 10 mikroamperów..
Kiedy nagromadzony ładunek osiągnie wystarczająco wysoką wartość, wówczas w sferach połączonych z centralnymi płytami Leyden wytwarzane jest wysokie pole elektryczne.
To pole jonizuje powietrze i wytwarza iskrę, rozładowując butelki i powodując nowy cykl ładowania..
Efekty działania pola elektrostatycznego można ocenić, umieszczając arkusz tektury między kulkami i obserwując, jak iskry robią w nim dziury..
Do tego eksperymentu będziesz potrzebować: wahadła wykonanego z piłeczki pingpongowej pokrytej folią aluminiową i dwóch blach w kształcie litery L.
Kulka jest zawieszona pośrodku dwóch arkuszy za pomocą drutu izolacyjnego. Każdy arkusz jest połączony z elektrodami maszyny Wimshurst za pomocą kabli z zaciskami.
Podczas obracania korby początkowo neutralna kula będzie oscylować między lamelami. Jeden z nich będzie miał nadmierny ładunek ujemny, który ulegnie kuli, która zostanie przyciągnięta przez arkusz dodatni.
Kula zdeponuje nadmiar elektronów na tym arkuszu, zostanie on na krótko zneutralizowany i cykl będzie się powtarzał tak długo, jak długo korba będzie się obracać..
Jeszcze bez komentarzy