WIMSHURST-KONE: HISTORIA, MITEN SE TOIMII JA SOVELLUKSET - FYYSINEN - 2026

Wimshurstin influenssikone on korkea jännite, alhainen ampeeriluku sähköstaattinen generaattori, joka kykenee tuottamaan staattisen sähkön erottamalla maksujen ansiosta vaihteessa kammen. Toisaalta tällä hetkellä käytetyt generaattorit, kuten akut, vaihtovirtalaturit ja dynos, ovat melko sähköenergian lähteitä, aiheuttaen varausten liikkeitä suljetussa piirissä.

Brittiläinen insinööri ja keksijä James Wimshurst (1832-1903) kehitti Wimshurst-koneen vuosina 1880–1883 ​​parantaen muiden keksijöiden ehdottamia sähköstaattisten generaattoreiden versioita.

Wimshurst-kone. Lähde: Andy Dingley (skanneri)

Se erottuu aikaisemmista sähköstaattisista koneista luotettavan, toistettavan käytön ja yksinkertaisen rakenteen ansiosta, koska se pystyy tuottamaan häikäisevän potentiaalieron välillä 90 000 - 100 000 volttia.

Wimshurst-koneen osat

Koneen pohjana ovat kaksi tunnusomaista eristemateriaalilevyä, joihin on kiinnitetty ohuet metallilevyt ja jotka on järjestetty säteittäisten sektorien muotoon.

Jokaisella metallisektorilla on toinen läpimitaltaan vastakkainen ja symmetrinen. Kiekkojen halkaisija on yleensä 30–40 cm, mutta ne voivat myös olla paljon suurempia.

Molemmat kiekot on asennettu pystytasoon ja erotettu toisistaan ​​1-5 mm: n etäisyydellä. On tärkeää, että levyt eivät koskaan kosketa kehruun aikana. Kiekkoja pyöritetään vastakkaisiin suuntiin hihnapyörän avulla.

Wimshurst-koneessa on kaksi metallitankoa, jotka ovat yhdensuuntaiset kunkin levyn pyörimistason kanssa: toinen kohti ensimmäisen levyn ulkopintaa ja toinen toisen levyn ulkopintaa kohti. Nämä palkit leikkaavat kulmassa toisiinsa nähden.

Kunkin tankojen päissä on metalliharjat, jotka tekevät kosketuksen kunkin levyn vastakkaisten metallisektorien kanssa. Ne tunnetaan neutralointipalkkina hyvästä syystä, josta keskustellaan pian.

Harjat pysyvät sähköisessä (metallisessa) kosketuksessa levyn sektoriin, joka koskettaa tankin toista päätä sektorin kanssa, joka on diametraalisesti vastakkainen. Sama asia tapahtuu toisessa albumissa.

Triboelektrinen vaikutus

Levyn harjat ja sektorit on valmistettu eri metalleista, melkein aina kuparista tai pronssista, kun taas kiekkojen terät ovat alumiinia.

Niiden välinen ohimenevä kosketus levyjen pyöriessä ja sitä seuraava erottelu luo mahdollisuuden vaihtaa varauksia tartunnan avulla. Tämä on triboelektrinen vaikutus, joka voi tapahtua myös esimerkiksi meripihkan ja esimerkiksi villakankaan välillä.

Pari U-muotoista metallinkeräintä (kampaa) lisätään koneeseen vastakkaisissa paikoissa sijaitsevilla metallisilla kärjillä tai piikkeillä.

Molempien kiekkojen sektorit kulkevat keräimen U sisäosan läpi koskematta sitä. Kollektorit on asennettu eristävälle alustalle ja kytketty vuorostaan ​​kahteen muuhun metallipalkkiin, jotka päättyvät palloihin, lähellä, mutta eivät kosketa kumpaakaan.

Kun koneelle syötetään mekaanista energiaa kampin avulla, harjojen kitka tuottaa varauksia erottavan triboelektrisen vaikutuksen, jonka jälkeen keräilijät vangitsevat jo erotetut elektronit ja varastoivat kahteen laitteeseen, nimeltään pullot. Leyden.

Leyden-pullo tai -kannu on lieriömäisillä metallirunkoilla varustettu lauhdutin. Jokainen pullo on kytketty toisiinsa keskuslevyllä, muodostaen kaksi sarjassa olevaa kondensaattoria.

Kammen kääntäminen tuottaa pallon välillä niin suuren eron sähköisessä potentiaalissa, että niiden välinen ilma ionisoituu ja kipinä hyppää. Koko laite näkyy yllä olevassa kuvassa.

Wimshurst-koneessa sähkö tulee materiaalista, joka koostuu atomista. Ja nämä puolestaan ​​koostuvat sähkövarauksista: negatiiviset elektronit ja positiiviset protonit.

Atomissa positiivisesti varautuneet protonit pakataan keskelle tai ytimeen ja negatiivisesti varautuneet elektronit ytimen ympärille.

Kun materiaali menettää osan uloimmista elektronistaan, se varautuu positiivisesti. Kääntäen, jos sieppaat joitain elektroneja, saat negatiivisen nettovarauksen. Kun protonien ja elektronien lukumäärä on yhtä suuri, materiaali on neutraalia.

Eristysmateriaaleissa elektronit pysyvät ytimiensä ympärillä ilman kykyä eksyä liian pitkälle. Mutta metalleissa ytimet ovat niin lähellä toisiaan, että uloimmat elektronit (tai valenssit) voivat hypätä atomista toiseen, liikkuen johtavan materiaalin läpi.

Jos negatiivisesti varautunut esine lähestyy yhtä metallilevyn pintaa, metallin elektronit siirtyvät pois staattisella heikentymisellä, tässä tapauksessa vastakkaiselle puolelle. Levyn sanotaan sitten olevan polarisoitunut.

Nyt, jos tämä polarisoitu levy on kytketty negatiivisella puolella olevalla johtimella (neutralisointitangot) toiseen levyyn, elektronit siirtyisivät tähän toiseen levyyn. Jos liitos katkeaa yhtäkkiä, toinen levy on negatiivisesti varautunut.

Kuorma ja säilytysjakso

Jotta Wimshurst-kone voi käynnistyä, yhdellä levyn metallisektoreista täytyy olla kuormituksen epätasapaino. Tämä tapahtuu luonnollisesti ja usein, etenkin kun kosteutta on vähän.

Kun levyt alkavat pyöriä, tulee aika, jolloin vastakkaisen levyn neutraali sektori vastustaa ladattua sektoria. Tämä indusoi sille harjojen ansiosta saman suuruisen ja vastakkaisen suunnan varauksen, koska elektronit liikkuvat kauemmas tai lähemmäksi edessä olevan sektorin merkin mukaan.

Kaavio Wimshurst-koneesta. Lähde: RobertKuhlmann

U-muotoiset keräilijät vastaavat panoksen keräämisestä, kun kiekot hylkivät toisiaan, koska niitä ladataan saman merkin panoksilla, kuten kuvassa esitetään, ja varastoivat mainitun varauksen niihin kytketyissä Leyden-pulloissa.

Tämän saavuttamiseksi U: n sisäosa työntyy kampamaisiin piikkeihin, jotka on suunnattu kunkin levyn ulkopinnoille, koskematta niitä. Ajatuksena on, että positiivinen varaus keskittyy kärkiin, jotta sektoreilta karkotut elektronit vetoavat ja kerääntyvät pullojen keskilevyyn.

Tällä tavalla kerääjää kohti oleva sektori menettää kaikki elektronit ja pysyy neutraalina, kun taas Leydenin keskuslevy on negatiivisesti varautunut.

Vastakkaisessa kollektorissa tapahtuu päinvastainen, kollektori toimittaa elektroneja sitä kohti olevaan positiiviseen levyyn, kunnes se on neutraloitu ja prosessi toistetaan jatkuvasti.

Sovellukset ja kokeet

Wimshurst-koneen pääsovellus on saada sähköä jokaiselta merkiltä. Mutta sen haittana on, että se syöttää melko epäsäännöllistä jännitettä, koska se riippuu mekaanisesta käytöstä.

Neutralointitankojen kulmaa voidaan muuttaa korkean lähtövirran tai korkean lähtöjännitteen asettamiseksi. Jos neutraloijat ovat kaukana kollektoreista, kone tuottaa korkean jännitteen (yli 100 kV).

Toisaalta, jos ne ovat lähellä kollektoreita, lähtöjännite laskee ja lähtövirta kasvaa, ja pystyy saavuttamaan jopa 10 mikroampeeria normaaleilla pyörimisnopeuksilla.

Kun kertynyt varaus saavuttaa riittävän korkean arvon, Leydenin keskuslevyihin kytketyillä palloilla syntyy suuri sähkökenttä.

Tämä kenttä ionisoi ilmaa ja tuottaa kipinän, purkaen pullot ja aiheuttaen uuden latausjakson.

Koe 1

Sähköstaattisen kentän vaikutukset voidaan arvioida asettamalla pahvilevy pallojen väliin ja tarkkailemalla, että kipinät tekevät reikiä siihen.

Koe 2

Tätä kokeilua varten tarvitset: alumiinifoliolla päällystetyn pingispallopallosta valmistetun heilurin ja kaksi L-muotoista metallilevyä.

Pallo ripustetaan kahden arkin keskelle eristyslangan avulla. Jokainen levy on kytketty Wimshurst-koneen elektrodeihin puristimilla varustetuilla kaapeleilla.

Kampia käännettäessä alun perin neutraali pallo värähtelee siipien välillä. Yhdessä heistä on ylimääräinen negatiivinen varaus, joka tuottaa palloa, jonka positiivinen arkki houkuttelee.

Pallo sijoittaa ylimääräiset elektronit tälle levylle, se neutraloidaan hetkeksi ja sykli toistuu uudelleen niin kauan kuin kampi kääntyy edelleen.

Viitteet

1. De Queiroz, A. Sähköstaattiset koneet. Palautettu: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Sähköstaattiset sovellusperiaatteet. Palautettu osoitteesta: orbus.be