МАШИНА WIMSHURST: ІСТОРІЯ, СПОСІБ РОБОТИ ТА ПРОГРАМИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Машина Wimshurst це висока напруга, низька сила струму електростатичний генератор, здатне виробляти статичну електрику шляхом поділу зарядів, завдяки повороту кривошипа. З іншого боку, використовувані в даний час генератори, такі як батареї, генератори та динамо, є скоріше джерелами електрорушійної сили, викликаючи переміщення зарядів у замкнутому контурі.

Машина Wimshurst була розроблена британським інженером та винахідником Джеймсом Вімсхерстом (1832-1903) між 1880 та 1883 роками, удосконалюючи версії електростатичних генераторів, запропоновані іншими винахідниками.

Машина Wimshurst. Джерело: Енді Дінглі (сканер)

Він відрізняється від попередніх електростатичних машин своєю надійною, відтворюваною роботою та простою конструкцією, здатним генерувати приголомшливу різницю потенціалів між 90 000 і 100 000 вольт.

Деталі машин Wimshurst

Основою машини є два характерних диска з ізоляційного матеріалу, з тонкими металевими листами, прикріпленими та розташованими у вигляді радіальних секторів.

Кожен металевий сектор має ще один діаметрально протилежний і симетричний. Диски зазвичай мають діаметр від 30 до 40 см, але можуть бути і значно більшими.

Обидва диски встановлені у вертикальній площині і розділені між собою відстань від 1 до 5 мм. Важливо, щоб диски ніколи не торкалися під час обертання. Диски обертаються в протилежних напрямках за допомогою шківного механізму.

У машини Wimshurst є два металевих бруска, паралельних площині обертання кожного диска: один у напрямку до зовнішнього диска першого, а другий - до зовнішнього боку другого диска. Ці бруски перетинаються під кутом відносно один одного.

На кінцях кожного бруска є металеві щітки, які контактують із протилежними металевими секторами на кожному диску. Вони відомі як нейтралізаторні бруски, з поважної причини, про які мова піде незабаром.

Щітки утримуються електричним (металевим) контактом із сектором диска, який торкається одного кінця планки, із сектором, діаметрально протилежним. Те ж саме відбувається і з іншим альбомом.

Трибоелектричний ефект

Щітки та сектори диска виготовлені з різних металів, майже завжди міді чи бронзи, тоді як леза дисків виготовлені з алюмінію.

Швидкий контакт між ними під час обертання дисків і подальше роз'єднання створюють можливість обміну зарядами за рахунок адгезії. Це трибоелектричний ефект, який також може виникнути між шматочком бурштину та вовняною тканиною, наприклад.

Пара П-подібних металевих колекторів (гребінок) додається до машини за допомогою металевих наконечників або шипів, розташованих у протилежних положеннях.

Сектори обох дисків проходять через внутрішню частину колектора U, не торкаючись її. Колектори встановлені на ізоляційній основі і в свою чергу з'єднані з двома іншими металевими прутами, що закінчуються в сферах, закриваючи, але не торкаючись жодного.

Коли механічна енергія подається на машину за допомогою кривошипа, тертя щіток виробляє трибоелектричний ефект, який відокремлює заряди, після чого вже відокремлені електрони захоплюються колекторами і зберігаються у двох пристроях, званих пляшками Лейден.

Пляшка або глечик Лейдена - це конденсатор з циліндричними металевими рамками. Кожна пляшка з'єднана з іншою центральною пластиною, утворюючи послідовно два конденсатори.

Поворот кривошипа створює настільки велику різницю в електричному потенціалі між сферами, що повітря між ними іонізується, і іскра скаче. Повний пристрій можна побачити на зображенні вище.

У машині Wimshurst електрика виходить з речовини, яка складається з атомів. А вони в свою чергу складаються з електричних зарядів: негативних електронів і позитивних протонів.

В атомі позитивно заряджені протони упаковані в центрі або ядрі, а негативно заряджені електрони навколо його ядра.

Коли матеріал втрачає частину своїх зовнішніх електронів, він стає позитивно зарядженим. І навпаки, якщо ви захопите деякі електрони, ви отримаєте чистий негативний заряд. Коли кількість протонів і електронів дорівнює, матеріал нейтральний.

В ізолюючих матеріалах електрони залишаються навколо своїх ядер, не маючи можливості занадто далеко збиватися. Але в металах ядра настільки близькі один до одного, що самі зовнішні електрони (або валентність) можуть перескакувати з одного атома на інший, рухаючись по всьому провідного матеріалу.

Якщо негативно заряджений предмет наближається до однієї з граней металевої пластини, то електрони металу віддаляються електростатичним відштовхуванням, в цьому випадку до протилежної грані. Потім, як кажуть, пластинка стала поляризованою.

Тепер, якщо ця поляризована плита з'єднана провідником (нейтралізуючими брусками) на її негативній стороні до іншої пластини, електрони переміститься до цієї другої пластини. Якщо з'єднання раптово перерветься, друга пластина заряджається негативно.

Цикл завантаження та зберігання

Щоб машина Wimshurst завантажилася, один з металевих секторів на диску повинен мати дисбаланс навантаження. Це відбувається природним шляхом і часто, особливо коли мало вологи.

Коли диски почнуть крутитися, настане час, коли нейтральний сектор протилежного диска протистоїть завантаженому сектору. Це викликає на ньому заряд, рівний за величиною та протилежним напрямком завдяки кистям, оскільки електрони відсуваються чи ближче, відповідно до знака, що стоїть перед сектором.

Схема машини Wimshurst. Джерело: RobertKuhlmann

П-подібні колектори відповідають за збір заряду, коли диски відштовхуються один від одного, оскільки вони заряджаються зарядами того ж знака, як показано на малюнку, і зберігають зазначений заряд у підключених до них пляшках Лейдена.

Щоб досягти цього, внутрішня частина U виступає на гребінчасті піки, спрямовані до зовнішніх граней кожного диска, але не торкаючись їх. Ідея полягає в тому, що позитивний заряд концентрується на наконечниках, так що електрони, вигнані з секторів, притягуються і накопичуються в центральній пластині пляшок.

Таким чином сектор, що стоїть перед колектором, втрачає всі електрони і залишається нейтральним, тоді як центральна плита Лейдена негативно заряджена.

У протилежному колекторі відбувається навпаки, колектор доставляє електрони до позитивної пластини, яка стикається з нею, поки вона не нейтралізується і процес повторюється постійно.

Програми та експерименти

Основне застосування машини Wimshurst - це отримання електроенергії від кожного знака. Але він недоліком є ​​те, що він подає досить неправильну напругу, оскільки це залежить від механічного спрацьовування.

Кут стрижнів нейтралізатора може змінюватись для встановлення високого вихідного струму або високої вихідної напруги. Якщо нейтралізатори знаходяться далеко від колекторів, машина подає високу напругу (до понад 100 кВ).

З іншого боку, якщо вони близькі до колекторів, вихідна напруга зменшується, а вихідний струм збільшується, і може досягати до 10 мікроампер при нормальних швидкостях обертання.

Коли накопичений заряд досягає досить високого значення, то в сферах, з'єднаних з центральними пластинами Лейдена, виробляється високе електричне поле.

Це поле іонізує повітря і виробляє іскру, розряджаючи пляшки і спричиняючи новий цикл заряду.

Експеримент 1

Ефекти електростатичного поля можна оцінити, помістивши між шарами лист картону і спостерігаючи, що іскри роблять в ньому отвори.

Експеримент 2

Для цього експерименту вам знадобляться: маятник, виготовлений з кульки для пінг-понгу, покритого алюмінієвою фольгою та двох металевих аркушів у формі L.

Куля підвішується посередині двох аркушів за допомогою ізоляційного дроту. Кожен лист з'єднаний з електродами машини Wimshurst кабелями затискачами.

По мірі повернення кривошипа спочатку нейтральна куля буде коливатися між лопатями. Один з них матиме надлишок від’ємного заряду, який поступатиметься кулі, який приверне позитивний аркуш.

Куля відкладе надлишки електронів на цьому аркуші, він буде ненадовго нейтралізований і цикл повториться знову, поки кривошип продовжує обертатися.

Список літератури

1. Де Кейроз, А. Електростатичні машини. Відновлено з: coe.ufrj.br
2. Гачанович, Міко. 2010. Принципи електростатичного застосування. Відновлено з: orbus.be