MASZYNA WIMSHURST: HISTORIA, SPOSÓB DZIAŁANIA I ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Urządzenie Wimshursta jest wysokie napięcie, niskie natężenie prądu generatora elektrostatycznego, zdolnego do wytwarzania elektryczności statycznej przez rozdział ładunków, dzięki obrotu korby. Z drugiej strony, obecnie stosowane generatory, takie jak akumulatory, alternatory i prądnice, są raczej źródłami siły elektromotorycznej, powodującej ruchy 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.

Maszyna Wimshursta. Źródło: Andy Dingley (skaner)

Wyróżnia się na tle poprzednich maszyn elektrostatycznych niezawodną, ​​powtarzalną pracą i prostą konstrukcją, która jest w stanie wygenerować oszałamiającą różnicę potencjałów od 90 000 do 100 000 woltów.

Części maszyn Wimshurst

Podstawą maszyny są dwa charakterystyczne dyski z materiału izolacyjnego, z przymocowanymi cienkimi blachami ułożonymi w postaci 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 są oddalone 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 skierowany 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 znane jako paski neutralizujące, nie bez powodu, który zostanie omówiony wkrótce.

Szczotki utrzymują elektryczny (metalowy) kontakt z sektorem dysku, który styka się z jednym końcem pręta, przy czym sektor znajduje się po przeciwnej stronie. To samo dzieje się na drugim albumie.

Efekt tryboelektryczny

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 suknem wełnianym.

Do maszyny dodaje się parę metalowych kolektorów w kształcie litery U (grzebienie) z metalowymi końcówkami lub kolcami, umieszczonymi w przeciwnych pozycjach.

Sektory obu dysków przechodzą przez wewnętrzną część kolektora U bez jej dotykania. Kolektory są zamontowane na izolacyjnej podstawie i są z kolei połączone z dwoma innymi metalowymi prętami zakończonymi kulkami, blisko, ale też się nie stykają.

Kiedy energia mechaniczna jest dostarczana do maszyny za pomocą korby, tarcie szczotek powoduje efekt tryboelektryczny, który rozdziela ładunki, po czym elektrony już oddzielone 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.

Obracanie korbą powoduje tak dużą różnicę potencjałów elektrycznych między kulkami, że powietrze między nimi jonizuje i iskra skacze. 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 upakowane w centrum 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 możliwości 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 materiale przewodzącym.

Jeśli ujemnie naładowany obiekt zbliża 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 przewodem (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.

Cykl ładowania i przechowywania

Aby maszyna Wimshurst mogła się uruchomić, 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 chwila, kiedy neutralny sektor przeciwległego dysku będzie przeciwstawiał się załadowanemu sektorowi. To indukuje na nim ładunek równej wielkości i przeciwny kierunek dzięki szczotkom, ponieważ elektrony oddalają się lub zbliżają, zgodnie ze znakiem zwróconego sektora.

Schemat maszyny Wimshurst. Źródło: RobertKuhlmann

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, wewnętrzna część U wystaje grzebieniowe wierzchołki skierowane w stronę zewnętrznych powierzchni każdego dysku, ale nie dotykając ich. Chodzi o to, że dodatni ładunek koncentruje się na końcówkach, tak że elektrony wyrzucane z sektorów są przyciągane i gromadzą się w środkowej płycie butelek.

W ten sposób sektor zwrócony w stronę 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, aż zostanie zneutralizowana, a proces jest powtarzany w sposób ciągły.

Aplikacje i eksperymenty

Głównym zastosowaniem maszyny Wimshursta jest uzyskanie energii elektrycznej z każdego znaku. Ale ma 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 są blisko kolektorów, napięcie wyjściowe spada, a prąd wyjściowy rośnie i może osiągnąć do 10 mikroamperów przy normalnych prędkościach obrotowych.

Kiedy nagromadzony ładunek osiągnie wystarczająco wysoką wartość, wówczas w sferach połączonych z centralnymi płytami Lejdy wytwarzane jest wysokie pole elektryczne.

To pole jonizuje powietrze i wytwarza iskrę, rozładowując butelki i powodując nowy cykl ładowania.

Eksperyment 1

Efekty działania pola elektrostatycznego można docenić, umieszczając arkusz tektury między kulkami i obserwując, jak iskry robią w nim dziury.

Eksperyment 2

Do tego eksperymentu będziesz potrzebować: wahadła wykonanego z piłeczki pingpongowej pokrytej folią aluminiową i dwóch blach w kształcie litery L.

Kula jest zawieszona pośrodku dwóch arkuszy za pomocą drutu izolacyjnego. Każdy arkusz jest połączony z elektrodami maszyny Wimshurst za pomocą kabli z zaciskami.

Gdy korba jest obracana, początkowo neutralna kula będzie oscylować między łopatkami. Jeden z nich będzie miał nadmiar ładunku ujemnego, który ustąpi kulce, którą przyciągnie arkusz dodatni.

Kula zdeponuje nadmiar elektronów na tym arkuszu, zostanie on na krótko zneutralizowany i cykl będzie się powtarzał, dopóki korba będzie się obracać.

Bibliografia

1. De Queiroz, A. Maszyny elektrostatyczne. Odzyskany z: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Zasady aplikacji elektrostatycznej. Odzyskany z: orbus.be