WIMSHURST-MASKINE: HISTORIE, HVORDAN DET FUNGERER OG APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den wimshurst-generator er en høj spænding, lav strømstyrke elektrostatiske generator kan frembringe statisk elektricitet ved separation af afgifter, takket være tur af et håndsving. På den anden side er de i øjeblikket anvendte generatorer som batterier, vekselstrømsgeneratorer og dynamoer snarere kilder til elektromotorisk kraft, hvilket forårsager bevægelser af ladninger i et lukket kredsløb.

Wimshurst-maskinen blev udviklet af den britiske ingeniør og opfinder James Wimshurst (1832-1903) mellem 1880 og 1883, hvilket forbedrede versioner af elektrostatiske generatorer foreslået af andre opfindere.

Wimshurst-maskine. Kilde: Andy Dingley (scanner)

Den skiller sig ud over tidligere elektrostatiske maskiner for sin pålidelige, reproducerbare betjening og enkle konstruktion, idet den er i stand til at generere en svimlende potentialeforskel på mellem 90.000 og 100.000 volt.

Wimshurst maskindele

Maskinens bund er de to karakteristiske isoleringsmaterialeskiver med tynde metalplader fastgjort og arrangeret i form af radiale sektorer.

Hver metallsektor har en anden diametralt modsat og symmetrisk. Diskerne er normalt mellem 30 og 40 cm i diameter, men de kan også være meget større.

Begge skiver er monteret i et lodret plan og adskilles med en afstand på mellem 1 og 5 mm. Det er vigtigt, at diske aldrig rører ved spin. Skiverne drejes i modsatte retninger ved hjælp af en remskivemekanisme.

Wimshurst-maskinen har to metalstænger parallelt med rotationsplanet for hver disk: den ene mod ydersiden af ​​den første disk og den anden mod ydersiden af ​​den anden disk. Disse søjler skærer hinanden i en vinkel i forhold til hinanden.

Enderne af hver stang har metalbørster, der kommer i kontakt med modsatte metallsektorer på hver disk. De er kendt som neutralisatorstænger, med god grund, som vil blive drøftet inden for kort tid.

Børsterne holder elektrisk (metallisk) kontakt med disksektoren, der berører den ene ende af stangen, med sektoren diametret modsat. Det samme sker på det andet album.

Den triboelektriske effekt

Børsterne og sektorerne på skiven er lavet af forskellige metaller, næsten altid kobber eller bronze, mens skiverne er lavet af aluminium.

Den flydende kontakt mellem dem, mens skiverne roterer og den efterfølgende adskillelse, skaber muligheden for at udveksle ladninger gennem vedhæftning. Dette er den triboelektriske effekt, som også kan forekomme mellem et stykke rav og en uldklæde.

Et par U-formede metalopsamlere (kamme) sættes til maskinen med metalspidser eller pigge placeret i modsatte positioner.

Begge disks sektorer passerer gennem den indre del af samleren U uden at røre ved den. Samlerne er monteret på en isolerende base og er igen forbundet til to andre metalstænger, der ender i kugler, tæt, men ikke berører heller.

Når mekanisk energi tilføres maskinen ved hjælp af kranken producerer børsterne friktion den triboelektriske virkning, der adskiller ladningerne, hvorefter de allerede adskilte elektroner fanges af samlerne og opbevares i to apparater kaldet flasker med Leyden.

Leyden flasken eller kanden er en kondensator med cylindriske metalrammer. Hver flaske er forbundet til den anden af ​​den centrale plade og danner to kondensatorer i serie.

Drejning af krumtaprisen giver en så stor forskel i elektrisk potentiale mellem kuglerne, at luften mellem dem ioniserer og en gnist springer. Den komplette enhed kan ses på billedet ovenfor.

I Wimshurst-maskinen kommer elektricitet ud af materie, der består af atomer. Og disse består til gengæld af elektriske ladninger: negative elektroner og positive protoner.

I atomet pakkes de positivt ladede protoner i midten eller kernen og de negativt ladede elektroner omkring dens kerne.

Når et materiale mister nogle af dets yderste elektroner, bliver det positivt ladet. Omvendt, hvis du fanger nogle elektroner, får du en negativ negativ ladning. Når antallet af protoner og elektroner er ens, er materialet neutralt.

I isolerende materialer forbliver elektroner omkring deres kerner uden evnen til at strejfe for langt. Men i metaller er kernerne så tæt på hinanden, at de yderste elektroner (eller valens) kan hoppe fra det ene atom til det andet og bevæge sig gennem det ledende materiale.

Hvis et negativt ladet objekt nærmer sig en af ​​fladerne på en metalplade, bevæger metalets elektroner sig væk ved elektrostatisk frastødning, i dette tilfælde til den modsatte flade. Derefter siges pladen at være polariseret.

Hvis denne polariserede plade nu er forbundet med en leder (neutraliseringsstænger) på dens negative side til en anden plade, ville elektronerne flytte til denne anden plade. Hvis forbindelsen pludselig er skåret, oplades den anden plade negativt.

Belastnings- og opbevaringscyklus

For at Wimshurst-maskinen skal kunne starte, skal en af ​​metallsektorerne på disken have en belastningsubalance. Dette sker naturligt og ofte, især når der er lidt luftfugtighed.

Når disken begynder at dreje, vil der være et tidspunkt, hvor en neutral sektor på den modsatte disk modsætter sig den indlæste sektor. Dette fremkalder en ladning med samme størrelse og modsat retning takket være børsterne, da elektronerne bevæger sig væk eller nærmere, i henhold til tegnet på den sektor, der vender mod.

Skematisk af Wimshurst-maskinen. Kilde: RobertKuhlmann

De U-formede samlere er ansvarlige for at samle opladningen, når skiverne afviser hinanden, fordi de er tiltalt for ladninger af det samme tegn, som vist på figuren, og opbevarer ladningen i Leyden-flaskerne, der er forbundet til dem.

For at opnå dette stikker U's indre del af kamlignende toppe rettet mod de ydre flader på hver disk, men uden at røre ved dem. Tanken er, at den positive ladning koncentrerer sig om spidserne, så de elektroner, der udvises fra sektorerne, tiltrækkes og ophobes i flaskenes centrale plade.

På denne måde mister sektoren mod samleren alle sine elektroner og forbliver neutral, mens den centrale plade af Leyden er negativt ladet.

I den modsatte opsamler sker det modsatte, samleren leverer elektroner til den positive plade, der vender mod den, indtil den er neutraliseret, og processen gentages kontinuerligt.

Anvendelser og eksperimenter

Den vigtigste anvendelse af Wimshurst-maskinen er at få elektricitet fra hvert skilt. Men det har den ulempe, at det leverer en ret uregelmæssig spænding, da det afhænger af den mekaniske betjening.

Neutralisatorstangens vinkel kan varieres for at indstille høj udgangsstrøm eller høj udgangsspænding. Hvis neutralisatorerne er langt fra samlerne, leverer maskinen en høj spænding (op til mere end 100 kV).

På den anden side, hvis de er tæt på opsamlerne, formindskes udgangsspændingen, og udgangsstrømmen stiger, idet den kan nå op til 10 mikroamper ved normale rotationshastigheder.

Når den akkumulerede ladning når en høj nok værdi, produceres der et højt elektrisk felt i kuglerne, der er forbundet med de centrale plader i Leyden.

Dette felt ioniserer luften og producerer gnisten, udleder flaskerne og giver anledning til en ny opladningscyklus.

Eksperiment 1

Virkningerne af det elektrostatiske felt kan forstås ved at anbringe et kartonark mellem kuglerne og observere, at gnisterne skaber huller i det.

Eksperiment 2

Til dette eksperiment har du brug for: en pendul lavet af en ping pong kugle dækket med aluminiumsfolie og to L-formede metalplader.

Kuglen hænges i midten af ​​de to lag ved hjælp af en isolerende ledning. Hvert ark er forbundet til elektroderne i Wimshurst-maskinen med kabler med klemmer.

Når sveiven drejes, vil den oprindeligt neutrale kugle svinge mellem bladene. En af dem vil have et overskud af negativ ladning, der vil give efter for bolden, hvilket vil blive tiltrukket af det positive ark.

Kuglen afsætter sine overskydende elektroner på dette ark, den neutraliseres kort, og cyklussen gentages igen, så længe kranken fortsætter med at dreje.

Referencer

1. De Queiroz, A. Elektrostatiske maskiner. Gendannes fra: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Principper for elektrostatisk anvendelse. Gendannes fra: orbus.be