Wimshurst -historie, hvordan det fungerer og applikasjoner

De Wimshurst -maskin Det er en elektrostatisk generator av høyspenning og lav strømning, som er i stand til å produsere statisk elektrisitet ved separasjon av belastninger, takket være spinnet til en sveiv. På den annen side er generatorer som for øyeblikket brukes, for eksempel batterier, generatorer og dynamoer, snarere kilder til elektromotorisk kraft, som forårsaker belastningsbevegelser i en lukket krets.

Wimshurst-maskinen ble utviklet av den britiske ingeniøren og oppfinneren James Wimshurst (1832-1903) mellom 1880 og 1883, og forbedret versjoner av elektrostatiske generatorer foreslått av andre oppfinnere av andre oppfinnere.

Wimshurst -maskin. Kilde: Andy Dingley (Scanner) [Public Domain]

Den skiller seg ut på tidligere elektrostatiske maskiner for sin pålitelige, reproduserbare drift og enkel konstruksjon, og kunne generere en fantastisk potensiell forskjell mellom 90.000 og 100.000 volt.

[TOC]

Deler av Wimshurst -maskinen

Basen på maskinen er de to karakteristiske skivene til isolerende materiale, med tynne metallark festet og ordnet i form av radiale sektorer.

Hver metallsektor har en annen diametralt motsatt og symmetrisk. Platene har vanligvis mellom 30 og 40 cm i diameter, men de kan også være mye eldre.

Begge albumene er montert på et vertikalt plan og en avstand på mellom 1 til 5 mm er separert. Det er viktig at postene i løpet av svingen aldri blir berørt. Platene blir slått i motsatte sanser gjennom en remskivemekanisme.  

Wimshurst Machine har to metallstenger parallelt med rotasjonsplanet til hvert album: One to the Eterter Side of the First Album and the Other Tot the Yther Side of the Second Album. Disse stolpene er ment i vinkel med hensyn til den andre.

Endene på hver bar har metallkoblinger som tar kontakt med motsatte metallsektorer på hver plate. De er kjent som nøytraliserende barer, av en god grunn som vil bli sett snart.

Børstene holder skivsektoren som berører i den ene enden av baren, med den diametralt motsatte elektriske kontakten, med diametralt motsatt. Det samme skjer i det andre albumet.

Den triboelektriske effekten

Brooms og skivsektorene er laget av forskjellige metaller, nesten alltid kobber eller bronse, mens aluminiumsskivene er laget av aluminium.

Kan tjene deg: hastigheten på forplantning av en bølge

Den flyktige kontakten mellom dem mens platene roterer og den påfølgende separasjonen, skaper muligheten for å utveksle belastninger gjennom vedheft. Dette er den triboelektriske effekten, som også kan oppstå mellom et stykke rav og en ullklut.

Maskinen legges til maskinen (Combs) metallisk i form av en U -formet og ender i tips eller metallpigger, plassert i motsatte posisjoner.

Sektorene for begge albumene går fra den interne delen av Us of the Collector uten å berøre den.  Samlerne er montert på en isolerende base og er på sin side koblet til to andre metallstenger ferdige i kuler, nær, men enten spilles.

Når mekanisk energi leveres til maskinen ved hjelp av sveiven, er Rubb Leyden.

Flasken eller kannen til Leyden er en kondensator med sylindrisk metall rustning. Hver flaske er koblet til den andre av den sentrale platen, og danner to kondensator i serie.

Når sveiven svinger, er det en så høy elektrisk potensialforskjell mellom kulene, at luften mellom dem er ionisert og hopper en gnist. Den komplette enheten kan sees på bildet over.

Fysiske prinsipper involvert

I Wimshurst -maskinen kommer strøm ut av materie, som er sammensatt av atomer. Og disse består igjen av elektriske ladninger: negative elektroner og positive protoner.

I atomet er de positive belastningsprotonene komprimert i midten eller kjernen og de negative belastningselektronene rundt kjernen deres.

Når et materiale mister noen av sine ytterste elektroner, er det positivt ladet. Tvert imot, hvis du fanger opp noen elektroner, får du negativ nettbelastning. Når mengden protoner og elektroner er den samme, er materialet nøytralt.

Kan tjene deg: Aerostatisk ballong: Historie, egenskaper, deler, hvordan det fungerer

Ved isolasjonsmaterialer forblir elektroner rundt kjernene sine uten mulighet for å komme for langt. Men i metaller er kjernene så nær hverandre, at de ytterste elektronene (eller valensen) kan hoppe fra et atom til et annet, og beveger seg gjennom det ledende materialet.

Hvis et av ansiktene til en metallplate nærmer seg en negativt lastet, beveger elektronene til metallet seg bort av elektrostatisk frastøtning, i dette tilfellet til motsatt ansikt. Det sies da at platen er polarisert. 

Nå, hvis denne polariserte plaketten er forbundet med en sjåfør (nøytraliserende stenger) av dets negative ansikt til en annen plate, ville elektronene beveget seg til denne andre platen. Hvis tilkoblingen plutselig kuttes, er den andre platen negativt ladet.

Last- og lagringssyklus

Slik at Wimshurst -maskinen starter, er det nødvendig at noen av metallsektorene på platen har en belastningsubalanse. Dette skjer naturlig og ofte, spesielt når det er lite miljøfuktighet.

Når platene begynner å snu, vil det være en tid da en nøytral sektor av den motsatte platen motsetter seg den lastede sektoren. Dette induserer en belastning av like stor størrelse og motsatt retning takket være børstene, siden elektronene blir mobilisert ved å bevege seg bort eller nærme seg, i henhold til tegnet på sektoren.

Wimshurst Machine Scheme. Kilde: Robertkuhlmann [Public Domain]

U -formede samlere er ansvarlige for å samle belastningen når platene frastøter.

For å oppnå dette, i den indre delen av U står topper som kammet mot de ytre ansiktene til hvert album, men uten å berøre dem. Tanken er at positiv belastning på tipsene er konsentrert, slik at elektronene utvist fra sektorene blir tiltrukket og akkumuleres i den sentrale platen på flaskene.

På denne måten mister sektoren med samleren alle sine elektroner og er nøytral, mens den sentrale platen til Leyden er negativt.

Kan tjene deg: Lett refraksjon: elementer, lover og eksperiment

I den motsatte samleren, de motsatte passene, leverer samleren elektroner til den positive platen som vender mot den til den er nøytralisert og prosessen gjentatte seg gjentatte.

Applikasjoner og eksperimenter

Hovedpåføringen av Wimshurst -maskinen er å skaffe strøm fra hvert skilt. Men det har ulempen at det gir en ganske uregelmessig spenning, siden det avhenger av den mekaniske handlingen.

Vinkelen på den nøytraliserende linjen kan varieres for å konfigurere ved høy utgangsstrøm eller ved høy utgangsspenning. Hvis nøytralisatorene er langt fra samlerne, leverer maskinen en høyspenning (opp til mer enn 100 kV).

På den annen side, hvis de er i nærheten.

Når den akkumulerte belastningen når en høy nok verdi, er det da et høyt elektrisk felt i kulene som er koblet til de sentrale platene til Denden. 

Dette feltet ioniserer luften og produserer gnisten, laster ned flaskene og gir opphav til en ny lastesyklus.

Eksperiment 1

Effektene av det elektrostatiske feltet kan sees ved å plassere en papp mellom kulene og observere at gnistene lager hull i den.

Eksperiment 2

For dette eksperimentet er det nødvendig: en pendel laget med en pingkule dekket med aluminiumsfolie og to metallplater i form av en L -formet.

Ballen henges i midten av begge arkene ved hjelp av en isolerende tråd. Hvert ark kobles til Wimshurst -maskinelektroder via kabelkabler.

Når du snur sveiven, vil den opprinnelig nøytrale ballen variere mellom arkene. En av dem vil ha overflødig negativ belastning som vil gi seg til ballen, som vil bli tiltrukket av det positive arket.

Ballen vil avsette sine overflødige elektroner i dette arket, den blir kort nøytralisert og syklusen vil bli gjentatt igjen mens sveiven fremdeles roterer.

Referanser

1. Queiroz, til. Elektrostatiske maskiner. Gjenopprettet fra: Coe.Ufrj.Br
2. Gacanovic, Myco. 2010. Elektrostatisk anvendelsesprinsipper. Gjenopprettet fra: Orbus.Være