„WIMSHURST“ MAŠINA: ISTORIJA, KAIP JI VEIKIA IR PROGRAMOS - FIZINIS - 2025

„ Wimshurst“ mašina yra aukštos įtampos, žemos įtampos, elektrostatinis generatorius, kuris, naudojant alkūnės pasukimą, gali gaminti statinę elektros energiją atskyrus krūvius. Kita vertus, šiuo metu naudojami generatoriai, tokie kaip akumuliatoriai, generatoriai ir dinamos, yra gana elektromobilio jėgos šaltiniai, sukeliantys įkrovų judėjimą uždaroje grandinėje.

„Wimshurst“ mašiną 1880–1883 ​​metais sukūrė britų inžinierius ir išradėjas Jamesas Wimshurstas (1832–1903), patobulindamas kitų išradėjų pasiūlytas elektrostatinių generatorių versijas.

„Wimshurst“ mašina. Šaltinis: Andy Dingley (skaitytuvas)

Jis išsiskiria iš patikimų, atkuriamų ir paprastos konstrukcijos, palyginti su ankstesnėmis elektrostatinėmis mašinomis, todėl gali generuoti stulbinantį potencialo skirtumą nuo 90 000 iki 100 000 voltų.

„Wimshurst“ mašinų dalys

Mašinos pagrindas yra du būdingi izoliacinės medžiagos diskai, pritvirtinti plonais metalo lakštais ir išdėstyti radialinių sektorių pavidalu.

Kiekvienas metalo sektorius turi kitą diametraliai priešingą ir simetrišką. Diskai paprastai būna nuo 30 iki 40 cm skersmens, tačiau jie taip pat gali būti daug didesni.

Abu diskai yra sumontuoti vertikalioje plokštumoje ir yra atskirti nuo 1 iki 5 mm atstumu. Svarbu, kad verpimo metu diskai niekada neliestų. Diskai skriemulio mechanizmu pasukami priešingomis kryptimis.

„Wimshurst“ mašina turi du metalinius strypus, lygiagrečius kiekvieno disko sukimosi plokštumai: vieną link pirmojo disko išorės, kitą - prie antrojo disko išorės. Šios juostos kerta viena kitos atžvilgiu kampu.

Kiekvienos juostos galuose yra metaliniai šepetėliai, kurie kiekviename diske liečiasi su priešingais metalo sektoriais. Dėl geros priežasties, kuri netrukus bus aptarta, jie yra žinomi kaip neutralizatorių juostos.

Šepečiai elektriškai (metališkai) liečiasi su disko sektoriumi, kuris liečia vieną strypo galą, o sektorius yra diametraliai priešingas. Tas pats nutinka ir su kitu albumu.

Triboelektrinis poveikis

Diskų šepetėliai ir sektoriai yra pagaminti iš skirtingų metalų, beveik visada iš vario ar bronzos, o diskų ašmenys - iš aliuminio.

Dėl trumpalaikio kontakto tarp diskų besisukant ir po to atsiskiriant, atsiranda galimybė keistis krūviais per sukibimą. Tai yra triboelektrinis poveikis, kuris gali atsirasti, pavyzdžiui, tarp gintaro gabalo ir vilnos audinio.

Pora U formos metalinių kolektorių (šukų) pridedami prie mašinos metaliniais antgaliais ar smaigaliais, išdėstytais priešingose ​​vietose.

Abiejų diskų sektoriai praeina per kolektoriaus U vidinę dalį jo neliečiant. Kolektoriai montuojami ant izoliacinio pagrindo ir, savo ruožtu, yra sujungti su dviem kitais metaliniais strypais, kurie baigiasi rutuliais, artimi, bet neliečiami.

Kai mechaninė energija tiekiama mašinai švaistiklio pagalba, šepečių trintis sukuria triboelektrinį efektą, kuris atskiria krūvius, po to jau atskirtus elektronus sugauna kolektoriai ir kaupia dviejuose įtaisuose, vadinamuose buteliukais. Leydenas.

„Leyden“ butelis ar ąsotis yra kondensatorius su cilindriniais metaliniais rėmais. Kiekvienas butelis yra sujungtas su kitu centrine plokšte, sudarydamas iš eilės du kondensatorius.

Pasukant švaistiklį, susidaro toks didelis elektrinio potencialo skirtumas tarp sferų, kad oras tarp jų jonizuoja ir kibirkštis šokinėja. Visas įrenginys gali būti matomas aukščiau esančiame paveikslėlyje.

„Wimshurst“ mašinoje elektra išeina iš materijos, kurią sudaro atomai. O juos savo ruožtu sudaro elektros krūviai: neigiami elektronai ir teigiami protonai.

Atomoje teigiamai įkrauti protonai yra supakuoti centre arba branduolyje, o neigiamai įkrauti elektronai aplink jo branduolį.

Kai medžiaga praranda dalį savo atokiausių elektronų, ji tampa teigiamai įkrauta. Ir atvirkščiai, jei pagaunate kai kuriuos elektronus, gausite grynąjį neigiamą krūvį. Kai protonų ir elektronų skaičius yra lygus, medžiaga yra neutrali.

Izoliacinėse medžiagose elektronai išsilaiko aplink savo branduolį, negalėdami per daug nuklysti. Bet metaluose branduoliai yra taip arti vienas kito, kad tolimiausi elektronai (arba valentingumas) gali peršokti iš vieno atomo į kitą, judėdami per laidžią medžiagą.

Jei neigiamai įkrautas objektas artėja prie vieno iš metalinės plokštės paviršių, tada metalo elektronai pasitraukia elektrostatiniu atstūmimu, šiuo atveju į priešingą paviršių. Tada sakoma, kad plokštelė tapo poliarizuota.

Jei šią poliarizuotą plokštę jos neigiamoje pusėje esantis laidininkas (neutralizuojančios juostos) sujungtų su kita plokštele, elektronai judėtų į šią antrąją plokštę. Jei jungtis staiga nutrūksta, antroji plokštė yra neigiamai įkrauta.

Pakrovimo ir saugojimo ciklas

Kad „Wimshurst“ mašina pradėtų veikti, viename iš metalo sektorių diske turi būti apkrovos disbalansas. Tai atsitinka natūraliai ir dažnai, ypač kai mažai drėgmės.

Kai diskai pradės suktis, ateis laikas, kai neutralus priešingo disko sektorius priešinsis pakrautam sektoriui. Šepetėlių dėka tai sukelia vienodo dydžio ir priešingos krypties krūvį, nes elektronai juda tolyn ar arčiau, atsižvelgiant į nukreipto sektoriaus ženklą.

„Wimshurst“ mašinos schema. Šaltinis: RobertKuhlmann

U formos kolektoriai yra atsakingi už krūvio surinkimą, kai diskai atstumia vienas kitą, nes jie yra pakraunami to paties ženklo, kaip parodyta paveikslėlyje, krūviais, ir saugo minėtą krūvį prie jų prijungtuose „Leyden“ buteliuose.

Norint tai pasiekti, vidinė U dalis išsikiša į šuką panašius smailus, nukreiptus į kiekvieno disko išorinius paviršius, bet jų neliesdami. Idėja yra ta, kad teigiamas krūvis susikoncentruoja ties antgaliais, kad elektronai, išsiųsti iš sektorių, būtų traukiami ir kaupiasi butelių centrinėje plokštelėje.

Tokiu būdu sektorius, nukreiptas į kolektorių, praranda visus savo elektronus ir išlieka neutralus, o centrinė Leydeno plokštė yra neigiamai įkrauta.

Priešingame kolektoriuje nutinka priešingai, kolektorius tiekia elektronus į teigiamą plokštę, kuri yra prieš ją, kol ji bus neutralizuota ir procesas kartojamas nuolat.

Paraiškos ir eksperimentai

Pagrindinis „Wimshurst“ mašinos pritaikymas yra gauti elektrą iš kiekvieno ženklo. Tačiau jis turi trūkumą, nes tiekia gana nereguliarią įtampą, nes tai priklauso nuo mechaninio įjungimo.

Neutralizatoriaus strypų kampas gali būti įvairus, kad būtų nustatyta aukšta išėjimo srovė arba aukšta išėjimo įtampa. Jei neutralizatoriai yra toli nuo kolektorių, mašina tiekia aukštą įtampą (iki daugiau nei 100 kV).

Kita vertus, jei jie yra arti kolektorių, išėjimo įtampa mažėja, o išėjimo srovė padidėja ir esant normaliam sukimosi greičiui gali pasiekti iki 10 mikroamperų.

Kai sukauptas krūvis pasiekia pakankamai didelę vertę, rutuliuose, sujungtuose su Leydeno centrinėmis plokštėmis, susidaro didelis elektrinis laukas.

Šis laukas jonizuoja orą ir sukuria kibirkštį, išpildamas butelius ir sukeldamas naują įkrovimo ciklą.

1 eksperimentas

Elektrostatinio lauko poveikį galima įvertinti dedant kartono lakštą tarp rutulių ir stebint, ar kibirkštys jame skylutes.

2 eksperimentas

Šiam eksperimentui jums reikės: švytuoklės, pagamintos iš pingpongo rutulio, padengtos aliuminio folija, ir dviejų L formos metalo lakštų.

Rutulys pakabinamas dviejų lakštų viduryje, naudojant izoliacinę vielą. Kiekvienas lapas yra sujungtas su „Wimshurst“ mašinos elektrodais kabeliais su spaustukais.

Pasukant švaistiklį, iš pradžių neutralus rutulys svyruos tarp ašmenų. Vienas iš jų turės neigiamą krūvį, kuris pateks į rutulį, kurį pritrauks teigiamas lapas.

Rutulys ant šio lapo nusės perteklinius elektronus, jis trumpam bus neutralizuotas ir ciklas kartosis tol, kol švaistiklis ir toliau sukasi.

Nuorodos

1. De Queiroz, A. Elektrostatinės mašinos. Atkurta iš: coe.ufrj.br
2. Gacanovičius, Mico. 2010. Elektrostatinio taikymo principai. Atkurta iš: orbus.be