Wimshursts historia, hur det fungerar och applikationer

De Wimshurst Machine Det är en elektrostatisk generator med högspänning och låg strömstyrka, som kan producera statisk elektricitet genom att separera belastningar, tack vare snurret på en vev. Å andra sidan är generatorer som för närvarande används såsom batterier, växelströmsgeneratorer och dynamos snarare källor till elektromotorskraft, som orsakar laströrelser i en sluten krets.

Wimshurst-maskinen utvecklades av den brittiska ingenjören och uppfinnaren James Wimshurst (1832-1903) mellan 1880 och 1883, vilket förbättrade versioner av elektrostatiska generatorer som föreslagits av andra uppfinnare av andra uppfinnare.

Wimshurst Machine. Källa: Andy Dingley (skanner) [Public Domain]

Det sticker ut på tidigare elektrostatiska maskiner för sin pålitliga, reproducerbara drift och enkel konstruktion, att kunna generera en fantastisk potentialskillnad mellan 90.000 och 100.000 volt.

[TOC]

Delar av Wimshurst -maskinen

Maskinens bas är de två karakteristiska skivorna av isoleringsmaterial, med tunna metallplattor fästa och ordnade i form av radiella sektorer.

Varje metallsektor har en annan diametralt motsatt och symmetrisk. Skivorna har vanligtvis mellan 30 och 40 cm i diameter, men de kan också vara mycket äldre.

Båda albumen är monterade på ett vertikalt plan och ett avstånd mellan 1 till 5 mm separeras. Det är viktigt att under svängen aldrig berörs. Skivorna vänds i motsatta sinnen genom en remskivmekanism.  

Wimshurst -maskinen har två metallstänger parallellt med rotationsplanet för varje album: en till den yttre sidan av det första albumet och den andra mot den yttre sidan av det andra albumet. Dessa staplar är avsedda i en vinkel med avseende på den andra.

Ändarna på varje stapel har metallkvastar som tar kontakt med motsatta metallsektorer på varje skiva. De är kända som neutraliserande barer, av en god anledning som kommer att ses inom kort.

Borstarna håller skivsektorn som berör i ena änden av stången, med den diametralt motsatta elektriska kontakten, med den diametralt motsatta. Samma sak händer i det andra albumet.

Den triboelektriska effekten

Kvasten och skivsektorn är gjorda av olika metaller, nästan alltid koppar eller brons, medan aluminiumskivorna är gjorda av aluminium.

Kan tjäna dig: hastigheten för förökning av en våg

Den flyktiga kontakten mellan dem medan skivorna roterar och den efterföljande separationen skapar möjligheten att utbyta belastningar genom vidhäftning. Detta är den triboelektriska effekten, som också kan uppstå mellan en bit bärnsten och en ullduk, till exempel.

Maskinen läggs till i maskinen (Combs) metallisk i form av en U -formad och slutar i spetsar eller metallspikar, belägna i motsatta positioner.

Sektorerna i båda albumen passerar från den inre delen av U of the Collector utan att röra vid den.  Samlarna är monterade på en isolerande bas och är i sin tur anslutna till två andra metallstänger färdiga på sfärer, nära men antingen spelas.

När mekanisk energi tillhandahålls till maskinen med hjälp av veven, RUBB LEYDEN.

Flaskan eller kannan i Leyden är en kondensor med cylindrisk metall rustning. Varje flaska är ansluten till den andra av den centrala plattan och bildar två kondensor i serie.

När veven vänder finns det en så hög elektrisk potentialskillnad mellan sfärerna, att luften mellan dem är joniserad och hoppar en gnista. Den kompletta enheten kan ses på bilden ovan.

Fysiska principer inblandade

I Wimshurst -maskinen kommer elen ur materia, som består av atomer. Och dessa i sin tur består av elektriska laddningar: negativa elektroner och positiva protoner.

I atomen är de positiva belastningsprotonerna komprimerade i mitten eller kärnan och de negativa belastningselektronerna runt deras kärna.

När ett material förlorar några av sina yttersta elektroner är det positivt laddat. Tvärtom, om du fångar några elektroner får du negativ nettbelastning. När mängden protoner och elektroner är detsamma är materialet neutralt.

Kan tjäna dig: aerostatisk ballong: historia, egenskaper, delar, hur det fungerar

I isolerande material kvarstår elektroner runt sina kärnor utan möjlighet att bli för långt. Men i metaller är kärnorna så nära varandra, att de yttersta elektronerna (eller valensen) kan hoppa från en atom till en annan och röra sig genom det ledande materialet.

Om ett av ansikten på en metallplatta närmar sig en negativt laddad, rör sig metallens elektroner bort genom elektrostatisk avstötning, i detta fall till motsatt ansikte. Det sägs då att plattan har polariserats. 

Nu, om denna polariserade plack är ansluten av en förare (neutraliserande staplar) med dess negativa ansikte till en annan platta, skulle elektronerna flytta till denna andra platta. Om anslutningen plötsligt skärs är den andra plattan negativt laddad.

Last- och lagringscykel

Så att Wimshurst -maskinen startar är det nödvändigt att några av metallsektorerna på skivan har en belastningsobalans. Detta händer naturligt och ofta, särskilt när det finns liten miljöfuktighet.

När skivorna börjar vända kommer det att finnas en tid då en neutral sektor av den motsatta skivan motsätter sig den laddade sektorn. Detta inducerar en börda av lika stor storlek och motsatt riktning tack vare borstarna, eftersom elektronerna mobiliseras genom att flytta bort eller närma sig, enligt tecknet på den ansiktssektorn.

Wimshurst Machine Scheme. Källa: Robertkuhlmann [Public Domain]

U -formade samlare ansvarar för att samla in lasten när skivorna är avvisade.

För att uppnå detta, i den inre delen av U Stands -topparna som kammade mot de yttre ansikten på varje album, men utan att röra dem. Tanken är att på spetsarna är positiv belastning koncentrerad, så att elektronerna som utvisas från sektorerna attraheras och ackumuleras i flaskans centrala platta.

På detta sätt förlorar sektorn som står inför samlaren alla sina elektroner och är neutral, medan Leydens centrala platta är negativt.

Kan tjäna dig: Lätt brytning: Element, lagar och experiment

I motsatt samlare, motsatta passerar, levererar samlaren elektroner till den positiva plattan som vetter mot den tills den är neutraliserad och processen upprepas upprepas.

Applikationer och experiment

Huvudapplikationen för Wimshurst -maskinen är att få el från varje skylt. Men det har besväret att det ger en ganska oregelbunden spänning, eftersom den beror på den mekaniska åtgärden.

Vinkeln på den neutraliserande stången kan varieras för att konfigurera vid hög utgångsström eller vid hög utgångsspänning. Om neutralisatorerna är långt ifrån samlarna, levererar maskinen en högspänning (upp till mer än 100 kV).

Å andra sidan, om de är nära samlarna, minskar utgångsspänningen och utgångsströmmen ökar, vilket kan nå upp till 10 mikrokamp vid normala rotationshastigheter.

När den ackumulerade belastningen når ett tillräckligt högt värde finns det då ett högt elektriskt fält i sfärerna anslutna till de centrala plattorna i Denden. 

Detta fält joniserar luften och producerar gnistan, laddar ner flaskorna och ger upphov till en ny lastcykel.

Experiment 1

Effekterna av det elektrostatiska fältet kan ses genom att placera en kartong mellan sfärerna och observera att gnistorna gör hål i det.

Experiment 2

För detta experiment behövs det: en pendel gjord med en pingboll täckt med aluminiumfolie och två metallark i form av en L -formad.

Bollen hängs mitt i båda ark med hjälp av en isolerande tråd. Varje ark ansluts till Wimshurst -maskinelektroderna via kabelkablar.

När du vrider veven kommer den ursprungligen neutrala bollen att variera mellan lakan. En av dem kommer att ha överskott av negativ belastning som kommer att ge upp till bollen, som kommer att lockas till det positiva arket.

Bollen kommer att sätta sina överskottselektroner i detta ark, den kommer kort neutraliserad och cykeln upprepas igen medan veven fortfarande roterar.

Referenser

1. Queiroz, till. Elektrostatiska maskiner. Återhämtat sig från: coe.Ufrj.Bras
2. Gacanovic, myco. 2010. Elektrostatiska tillämpningsprinciper. Återhämtat sig från: orbus.Vara