WIMSHURST STROJ: POVIJEST, NAČIN RADA I APLIKACIJE - FIZIČKA - 2024

Wimshurst stroj je visoki napon, niski struja elektrostatski generator, u stanju proizvoditi statički elektricitet razdvajanja naboja, zahvaljujući prijelazu ručica. S druge strane, trenutačno korišteni generatori poput baterija, alternatora i dinamova prilično su izvor elektromotorne sile, što izaziva pomicanje naboja u zatvorenom krugu.

Stroj Wimshurst razvio je britanski inženjer i izumitelj James Wimshurst (1832-1903) između 1880. i 1883., poboljšavajući verzije elektrostatičkih generatora koje su predložili drugi izumitelji.

Wimshurst stroj. Izvor: Andy Dingley (skener)

Ističe se od prethodnih elektrostatičkih strojeva zbog svog pouzdanog, ponovljivog rada i jednostavne konstrukcije, jer je u stanju stvoriti nevjerojatnu razliku potencijala između 90 000 i 100 000 volti.

Dijelovi strojeva Wimshurst

Temelj stroja čine dva karakteristična diska od izolacijskog materijala, s tankim metalnim listovima pričvršćenim i smještenim u obliku radijalnih sektora.

Svaki metalni sektor ima još jedan dijametralno suprotan i simetričan. Diskovi su obično promjera 30 do 40 cm, ali mogu biti i puno veći.

Oba diska montirana su u okomitoj ravnini i razdvojena su razmakom između 1 do 5 mm. Važno je da se diskovi ne dodiruju tijekom okretanja. Diskovi se okreću u suprotnim smjerovima pomoću remenica.

Wimshurst stroj ima dvije metalne šipke paralelne s ravninom rotacije svakog diska: jedna prema vanjskoj strani prvog diska, a druga prema vanjskoj strani drugog diska. Te se šipke sijeku pod kutom jedan u odnosu na drugi.

Na krajevima svake šipke nalaze se metalne četkice koje na svakom disku ostvaruju kontakt s suprotnim metalnim sektorima. Poznate su kao neutralizatorske šipke, s dobrim razlogom o kojima će se uskoro govoriti.

Četke zadržavaju električni (metalni) kontakt sa sekcijom diska koja dodiruje jedan kraj šipke, s sektorom dijametralno suprotno. Ista stvar se događa i na drugom albumu.

Triboelektrični učinak

Četke i sektori diska izrađeni su od različitih metala, gotovo uvijek bakra ili bronce, dok su noževi diskova izrađeni od aluminija.

Brzi kontakt među njima dok se diskovi okreću i naknadno razdvajanje stvara mogućnost razmjene naboja kroz ljepljenje. Ovo je triboelektrični učinak, koji se također može pojaviti, na primjer, između komada jantara i vunene tkanine.

Par metalnih sakupljača (češlja) u obliku slova U dodaje se stroju metalnim vrhovima ili šiljcima koji se nalaze u suprotnim položajima.

Sektori oba diska prolaze kroz unutarnji dio sakupljača U, bez dodirivanja. Kolektori su ugrađeni na izolacijsku podlogu i zauzvrat su spojeni na dvije druge metalne šipke koje završavaju u sferama, blizu, ali ne dodiruju nijednu.

Kada se mehanička energija dovodi do stroja pomoću ručice, trenje četke proizvodi triboelektrični učinak koji razdvaja naboje, nakon čega elektroni već odijeljeni hvataju kolektore i pohranjuju u dva uređaja zvana boce Leyden.

Boca ili vrč Leyden kondenzator je s cilindričnim metalnim okvirima. Svaka boca povezana je s drugom središnjom pločom, tvoreći dva kondenzatora u nizu.

Okretanjem ručice dolazi do tako velike razlike u električnom potencijalu između sfera da se zrak između njih ionizira i iskre skače. Kompletni uređaj može se vidjeti na gornjoj slici.

U Wimshurstovom stroju električna energija izlazi iz materije koja se sastoji od atoma. A oni se zauzvrat sastoje od električnih naboja: negativnih elektrona i pozitivnih protona.

U atomu se pozitivno nabijeni protoni spakuju u središtu ili jezgri, a negativno nabijeni elektroni oko njegove jezgre.

Kad materijal izgubi neke od svojih vanjskih elektrona, postaje pozitivno nabijen. Suprotno tome, ako uhvatite neke elektrone, dobit ćete neto negativan naboj. Kad je broj protona i elektrona jednak, materijal je neutralan.

U izolacijskim materijalima elektroni se zadržavaju oko svojih jezgara bez mogućnosti da zalutaju predaleko. Ali u metalima su jezgre toliko blizu jedna drugoj da najudaljeniji elektroni (ili valencija) mogu skakati s jednog atoma na drugi, krećući se kroz provodni materijal.

Ako se negativno nabijeni objekt približi jednoj od strana metalne ploče, tada se elektroni metala odmiču elektrostatskom odbijanjem, u ovom slučaju na suprotnu stranu. Kaže se da je ploča polarizirana.

Sad, ako je ova polarizirana ploča spojena vodičem (neutralizacijskim šipkama) s njegove negativne strane na drugu ploču, elektroni bi se premjestili na ovu drugu ploču. Ako se veza naglo prekine, druga ploča je negativno napunjena.

Ciklus opterećenja i skladištenja

Da bi se Wimshurst stroj pokrenuo, jedan od metalnih sektora na disku mora imati neravnotežu opterećenja. To se događa prirodno i često, posebno kad je malo vlage.

Kad se diskovi počnu vrtjeti, nastupit će vrijeme kada se neutralni sektor suprotnog diska suprotstavlja učitanom sektoru. To potiče na njega naboj jednake veličine i suprotnog smjera zahvaljujući četkama, budući da se elektroni odmiču ili približavaju, u skladu sa znakom okrenutim sektorom.

Shema Wimshurstovog stroja. Izvor: RobertKuhlmann

Kolektori u obliku slova U odgovorni su za sakupljanje naboja kada se diskovi međusobno odbijaju jer su nabijeni nabojima istog znaka, kao što je prikazano na slici, i spremanje navedenog punjenja u povezane Leyden boce.

Da bi se to postiglo, unutarnji dio U strši vrhove nalik na češljeve usmjerene prema vanjskim stranama svakog diska, ali bez dodirivanja istih. Ideja je da se pozitivni naboj koncentrira na vrhovima, tako da se elektroni protjerani iz sektora privlače i nakupljaju u središnjoj ploči boca.

Na ovaj način sektor okrenut prema sakupljaču gubi sve svoje elektrone i ostaje neutralan, dok je središnja ploča Leydena negativno nabijena.

U suprotnom kolektoru događa se suprotno, kolektor dovodi elektrone na pozitivnu ploču koja je okrenuta dok se ne neutralizira i proces se ponavlja neprekidno.

Primjene i eksperimenti

Glavna primjena uređaja Wimshurst je dobivanje električne energije iz svakog znaka. No, nedostatak je što isporučuje prilično nepravilan napon, jer ovisi o mehaničkom pokretanju.

Kut neutralizatorskih šipki može se mijenjati radi postavljanja visoke izlazne struje ili visokog izlaznog napona. Ako su neutralizatori daleko od kolektora, stroj isporučuje visoki napon (do više od 100 kV).

S druge strane, ako su blizu kolektora, izlazni napon opada i povećava se izlazna struja i može doseći do 10 mikroampera pri normalnim brzinama rotacije.

Kad akumulirani naboj dosegne dovoljno visoku vrijednost, tada se stvara visoko električno polje u sferama povezanim sa središnjim pločama Leydena.

Ovo polje ionizira zrak i stvara iskra, pražnjenje boca i stvaranje novog ciklusa punjenja.

Pokus 1

Učinci elektrostatičkog polja mogu se shvatiti stavljanjem lista kartona između sfera i promatranjem kako iskre stvaraju rupe u njemu.

Eksperiment 2

Za ovaj eksperiment trebat će vam: klatno od kuglice za ping pong prekriveno aluminijskom folijom i dva metalna lima u obliku slova L.

Kuglica je obješena na sredini dvaju listova pomoću izolacijske žice. Svaki list je spojen na elektrode stroja Wimshurst kablovima sa stezaljkama.

Kako se ručica okreće, početno će neutralna kugla oscilirati između lopatica. Jedan od njih imat će višak negativnog naboja koji će popustiti loptici, a koji će privući pozitivan list.

Kugla će položiti svoj višak elektrona na ovaj lim, ona će se nakratko neutralizirati i ciklus će se ponavljati sve dok se ručica i dalje okrene.

Reference

1. De Queiroz, A. Elektrostatički strojevi. Oporavak od: coe.ufrj.br
2. Gacanović, Mićo. 2010. Načela elektrostatičke primjene. Oporavak od: orbus.be