Zgodovina Wimshursst, kako deluje in aplikacije

The Wimshurst stroj Gre za elektrostatični generator visoke napetosti in nizke amperage, ki lahko proizvaja statično elektriko z ločevanjem obremenitev, zahvaljujoč vrtenju ročice. Po drugi strani pa so trenutno uporabljeni generatorji, kot so baterije, alternatorji in dinami, precej viri elektromotorne sile, ki povzročajo premike obremenitve v zaprtem krogu.

Stroj Wimshursst je med letoma 1880 in 1883 razvil britanski inženir in izumitelj James Wimshurst (1832-1903), kar je izboljševalo različice elektrostatičnih generatorjev, ki jih drugi izumitelji predlagajo drugi izumitelji.

Wimshurst stroj. Vir: Andy Dingley (skener) [javna domena]

Izstopa na prejšnjih elektrostatičnih strojih zaradi zanesljivega, ponovljivega delovanja in preproste konstrukcije, saj lahko ustvari neverjetno potencialno razliko med 90.000 in 100.000 voltov.

[TOC]

Deli stroj Wimshurst

Osnova naprave sta dva značilna diska izolacijskega materiala, s tankimi kovinskimi listi, pritrjenimi in razporejenimi v obliki radialnih sektorjev.

Vsak kovinski sektor ima še en diametralno nasproten in simetričen. Diski imajo običajno premera od 30 do 40 cm, lahko pa so tudi veliko starejši.

Oba albuma sta nameščena na navpični ravnini in razdalja med 1 in 5 mm je ločena. Pomembno je, da se zapisi med zavojem nikoli ne dotaknejo. Diski so obrnjeni v nasprotna čutila skozi mehanizem škripca.  

Wimshurst Machine ima dve metalski palici vzporedni z vrtenjem ravnine vsakega albuma: One To Out of the Outer strani prvega albuma, druga pa proti zunanji strani drugega albuma. Te palice so namenjene pod kotom glede na drugo.

Konci vsake palice imajo kovinske metle, ki vzpostavijo stik z nasprotnimi kovinskimi sektorji na vsakem disku. Znani so kot nevtralizirajoči palice, z dobrim razlogom, ki ga bomo kmalu videli.

Krtači ohranjajo sektor diska, ki se dotakne na enem koncu palice, z diametralno nasprotnim električnim stikom, z diametralno nasprotno. Enako se zgodi v drugem albumu.

Triboelektrični učinek

Sektor metlic in diskov so narejeni iz različnih kovin, skoraj vedno bakra ali brona, medtem ko so aluminijasti diski narejeni iz aluminija.

Vam lahko služi: hitrost širjenja vala

Bežni stik med njimi, medtem ko se diski vrtijo, in poznejša ločitev, ustvarja možnost izmenjave obremenitev z oprijemom. To je triboelektrični učinek, ki se lahko pojavi tudi med kosom jantarja in volneno krpo na primer.

Stroj je dodan v stroj (Combs) kovinsko v obliki U -Shaped in se konča v nasvetih ali kovinskih konicah, ki se nahajajo v nasprotnih položajih.

Sektorji obeh albumov prehajajo iz notranjega dela zbiratelja U, ne da bi se ga dotaknili.  Kolektorji so nameščeni na izolacijski podstavki in so posledično povezani z dvema drugima kovinskima palicama, ki so končani v sferah, blizu pa se predvajajo.

Ko je strojna energija na stroj s pomočjo ročice, drgnjenje leyden.

Steklenica ali vrč Leyden je kondenzator z valjastim kovinskim oklepom. Vsaka steklenica je z drugo povezana s centralno ploščo, ki tvori dva kondenzatorja zaporedno.

Ko se ročica obrne, je tako visoka razlika med električnim potencialom med sferami, da je zrak med njimi ioniziran in skoči iskrico. Celotno napravo si lahko ogledate na zgornji sliki.

Vključena fizična načela

V stroju Wimshursst Elektrika izhaja iz snovi, ki je sestavljena iz atomov. In ti so sestavljeni iz električnih nabojev: negativni elektroni in pozitivni protoni.

V atomu so protoni pozitivne obremenitve stisnjeni v središču ali jedru in negativni tovorni elektroni okoli njihovega jedra.

Ko material izgubi nekaj najbolj oddaljenih elektronov, je pozitivno nabit. Nasprotno, če zajamete nekaj elektronov, dobite negativno neto obremenitev. Ko je količina protonov in elektronov enaka, je material nevtralen.

Vam lahko služi: aerostatski balon: zgodovina, značilnosti, deli, kako deluje

Pri izolacijskih materialih elektroni ostanejo okoli njihovih jeder, ne da bi se pregrušili. Toda v kovinah so jedra tako blizu drug drugemu, da lahko najbolj zunanji elektroni (ali valenca) skočijo iz enega atoma na drugega in se premikajo po prevodni materialu.

Če se eden od obrazov kovinske plošče približa negativno obremenjenemu, potem se elektroni kovine oddaljijo z elektrostatičnim odbojnostjo, v tem primeru na nasprotni obraz. Nato se reče, da je bila plošča polarizirana. 

Zdaj, če to polarizirano ploščo povezuje z gonilnikom (nevtralizirajoče palice) z negativnim obrazom na drugo ploščo, bi se elektroni premaknili na to drugo ploščo. Če je povezava nenadoma razrezana, je druga plošča negativno napolnjena.

Cikel obremenitve in shranjevanja

Tako da se zažene stroj Wimshurst, je treba, da nekateri kovinski sektorji diska ne uravnotežijo obremenitve. To se zgodi naravno in pogosto, še posebej, če je malo okoljske vlažnosti.

Ko se diski začnejo obračati, bo čas, ko nevtralni sektor nasprotnega diska nasprotuje naloženemu sektorju. To povzroča breme enake velikosti in nasprotne smeri zahvaljujoč čopičem, saj se elektroni mobilizirajo tako, da se odmaknejo ali približajo, v skladu z znakom sektor.

Wimshurst strojna shema. Vir: Robertkuhlmann [Public Domain]

U -Shaped Collectors so odgovorni za zbiranje obremenitve, ko se diski odganjajo.

Da bi to dosegli, v notranjem delu U stoji vrhove, ki jih česamo proti zunanjim obrazom vsakega albuma, vendar ne da bi se jih dotaknili. Ideja je, da je na nasvetih koncentrirana pozitivna obremenitev, tako da se elektroni, izgnani iz sektorjev, privlačijo in kopičijo v osrednji plošči steklenic.

Na ta način sektor, ki se sooča z zbiralcem, izgubi vse svoje elektrone in je nevtralen, medtem ko je osrednja plošča Leydena negativno.

Vam lahko služi: Light Refrection: Elementi, zakoni in eksperimentiranje

V nasprotnem zbiralniku, nasprotno prehaja, zbiralnik dostavi elektrone na pozitivno ploščo, ki se sooči z njo, dokler se ne nevtralizira in postopek večkrat ponovi.

Aplikacije in poskusi

Glavna uporaba stroja Wimshursst je pridobiti elektriko iz vsakega znaka. Vendar ima neprijetnosti, da zagotavlja precej nepravilno napetost, saj je odvisna od mehanskega delovanja.

Kot nevtralizacijske palice je mogoče spreminjati, da se konfigurira pri visokem izhodnem toku ali pri visoki izhodni napetosti. Če nevtralizatorji daleč od kolektorjev, stroj prinaša visoko napetost (do več kot 100 kV).

Po drugi strani pa se izhodna napetost, če so blizu zbiralnikov.

Ko nakopičena obremenitev doseže dovolj visoke vrednosti, je nato v sferah visoko električno polje, povezano z osrednjimi ploščami dendena. 

To polje ionizira zrak in ustvari iskrico, nalaga steklenice in sproži nov cikel obremenitve.

Eksperiment 1

Učinke elektrostatičnega polja si lahko ogledate tako, da postavite karton med sfere in opazujemo, da iskre v njem naredijo luknje.

Eksperiment 2

Za ta poskus je potreben: nihalo, narejeno s ping kroglico, prekrito z aluminijasto folijo in dvema kovinskima listoma v obliki l -Shaped.

Žoga je obešena na sredini obeh listov z izolacijsko nitjo. Vsak list se poveže z elektrodami Wimshursst Machine prek kabelskih kablov.

Ko obrnete ročico, se bo prvotno nevtralna žoga gibala med listi. Eden od njih bo imel odvečno negativno obremenitev, ki bo prinesla kroglico, ki jo bo pritegnil pozitiven list.

Žoga bo v tem listu položila presežne elektrone, na kratko bo nevtralizirana in cikel se bo ponovil, medtem ko se ročica še vedno vrti.

Reference

1. Queiroz, do. Elektrostatični stroji. Okrevano od: coe.Ufrj.Br
2. Gacanović, Myco. 2010. Načela elektrostatične uporabe. Okreval od: Orbus.Biti