WIMSHURST-MASKIN: HISTORIK, HUR DET FUNGERAR OCH APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den Wimshurst maskin är en hög spänning, låg strömstyrka elektrostatisk generator, som kan producera statisk elektricitet genom separation av laddningar, tack vare sin tur av en vev. Å andra sidan är för närvarande använda generatorer som batterier, växelströmsgeneratorer och dynamos snarare källor till elektromotorisk kraft, vilket orsakar rörelser i laddningar i en sluten krets.

Wimshurst-maskinen utvecklades av den brittiska ingenjören och uppfinnaren James Wimshurst (1832-1903) mellan 1880 och 1883, vilket förbättrade versioner av elektrostatiska generatorer föreslagna av andra uppfinnare.

Wimshurst-maskin. Källa: Andy Dingley (skanner)

Den sticker ut jämfört med tidigare elektrostatiska maskiner för sin tillförlitliga, reproducerbara drift och enkla konstruktion, för att kunna generera en häpnadsväckande potentialskillnad mellan 90 000 och 100 000 volt.

Wimshurst maskindelar

Maskinens bas är de två karakteristiska isoleringsmaterialskivorna, med tunna metallplåtar fästa och anordnade i form av radiella sektorer.

Varje metallsektor har en annan diametralt motsatt och symmetrisk. Skivorna är vanligtvis mellan 30 och 40 cm i diameter, men de kan också vara mycket större.

Båda skivorna är monterade i ett vertikalt plan och är separerade med ett avstånd mellan 1 och 5 mm. Det är viktigt att skivorna aldrig rör vid spinning. Skivorna roteras i motsatta riktningar med hjälp av en remmekanism.

Wimshurst-maskinen har två metallstänger parallellt med rotationsplanet för varje skiva: en mot utsidan av den första skivan och den andra mot utsidan av den andra skivan. Dessa staplar korsar varandra i vinkel i förhållande till varandra.

Ändarna på varje stång har metallborstar som kommer i kontakt med motsatta metallsektorer på varje skiva. De är kända som neutralisatorstänger, av goda skäl som kommer att diskuteras inom kort.

Borstarna håller i elektrisk (metallisk) kontakt med skivans sektor som berör ena änden av stången, med sektorn diametralt motsatt. Samma sak händer på det andra albumet.

Triboelektrisk effekt

Borstarna och sektorerna på skivan är tillverkade av olika metaller, nästan alltid koppar eller brons, medan skivornas blad är tillverkade av aluminium.

Den flyktiga kontakten mellan dem medan skivorna roterar och den efterföljande separationen skapar möjligheten att byta laddningar genom vidhäftning. Detta är den triboelektriska effekten, som också kan uppstå mellan en bit bärnsten och en ulltyg.

Ett par U-formade metallsamlare (kammar) läggs till maskinen med metallspetsar eller spikar, placerade i motsatta positioner.

Sektorerna på båda skivorna passerar genom den inre delen av samlaren U utan att röra vid den. Samlarna är monterade på en isolerande bas och är i sin tur anslutna till två andra metallstänger som slutar i sfärer, nära men inte vidrör heller.

När mekanisk energi tillförs maskinen med hjälp av vevet producerar borsternas friktion den triboelektriska effekten som separerar laddningarna, varefter de redan separerade elektronerna fångas upp av samlarna och lagras i två anordningar som kallas flaskor med Leyden.

Leyden-flaskan eller kannan är en kondensor med cylindriska metallramar. Varje flaska är ansluten till den andra av den centrala plattan och bildar två kondensatorer i serie.

Vridning av veven ger en så stor skillnad i elektrisk potential mellan sfären att luften mellan dem joniseras och en gnista hoppar. Den kompletta enheten kan ses på bilden ovan.

I Wimshurst-maskinen kommer elektricitet ur materien, som består av atomer. Och dessa består i sin tur av elektriska laddningar: negativa elektroner och positiva protoner.

I atomen packas de positivt laddade protonerna i centrum eller kärnan och de negativt laddade elektronerna runt dess kärna.

När ett material tappar några av sina yttersta elektroner blir det positivt laddat. Omvänt, om du fångar in några elektroner, får du en negativ negativ laddning. När antalet protoner och elektroner är lika är materialet neutralt.

I isoleringsmaterial förblir elektroner runt sina kärnor utan förmågan att strö för långt. Men i metaller är kärnorna så nära varandra att de yttersta elektronerna (eller valensen) kan hoppa från en atom till en annan och rör sig genom det ledande materialet.

Om ett negativt laddat föremål närmar sig en av ytorna på en metallplatta, rör sig metallens elektroner bort genom elektrostatisk avstötning, i detta fall till motsatt yta. Plattan sägs sedan ha polariserats.

Om denna polariserade platta är ansluten av en ledare (neutraliseringsstänger) på sin negativa sida till en annan platta, skulle elektronerna flytta till denna andra platta. Om anslutningen plötsligt bryts är den andra plattan negativt laddad.

Last och lagringscykel

För att Wimshurst-maskinen ska kunna starta måste en av metallsektorerna på disken ha en obalans i belastningen. Detta händer naturligt och ofta, särskilt när det är lite luftfuktighet.

När skivorna börjar snurra kommer det att vara en tid då en neutral sektor på motsatt skiva motsätter sig den laddade sektorn. Detta inducerar en laddning med lika stor storlek och motsatt riktning tack vare borstarna, eftersom elektronerna rör sig bort eller närmare, beroende på tecken på den sektor som vänder mot.

Schematisk över Wimshurst-maskinen. Källa: RobertKuhlmann

De U-formade samlarna ansvarar för att samla laddningen när skivorna stöter varandra eftersom de laddas med laddningar av samma skylt, som visas på figuren, och lagrar laddningen i Leyden-flaskorna som är anslutna till dem.

För att uppnå detta sticker den inre delen av U ut kamliknande toppar riktade mot de yttre ytorna på varje skiva, men utan att röra vid dem. Tanken är att positiv laddning koncentreras på spetsarna, så att de elektroner som förvisas från sektorerna dras till och samlas i flaskans centrala platta.

På detta sätt tappar sektorn mot kollektorn alla sina elektroner och förblir neutral, medan Leydens centrala platta är negativt laddad.

I den motsatta kollektorn sker det motsatta, samlaren levererar elektroner till den positiva plattan som vetter mot den tills den neutraliseras och processen upprepas kontinuerligt.

Applikationer och experiment

Den viktigaste tillämpningen av Wimshurst-maskinen är att få el från varje skylt. Men det har nackdelen att den levererar en ganska oregelbunden spänning, eftersom det beror på den mekaniska manövreringen.

Neutralisatorstångens vinkel kan varieras för att ställa in hög utström eller hög utspänning. Om neutralisatorerna är långt ifrån samlarna levererar maskinen en högspänning (upp till mer än 100 kV).

Å andra sidan, om de är nära kollektorerna, minskar utgångsspänningen och utgångsströmmen ökar och kan nå upp till 10 mikroamper vid normala rotationshastigheter.

När den ackumulerade laddningen når ett tillräckligt högt värde produceras ett högt elektriskt fält i de sfärer som är anslutna till de centrala plattorna i Leyden.

Detta fält jonerar luften och producerar gnistan, tappar flaskorna och ger upphov till en ny laddningscykel.

Experiment 1

Effekterna av det elektrostatiska fältet kan uppskattas genom att placera ett kartongark mellan sfärerna och observera att gnistorna gör hål i den.

Experiment 2

För detta experiment behöver du: en pendel gjord av en ping pong boll täckt med aluminiumfolie och två L-formade metallplåtar.

Bollen hängs i mitten av de två arken med hjälp av en isolerande tråd. Varje ark är anslutet till Wimshurst-maskinens elektroder med kablar med klämmor.

När veven vrids, kommer den initialt neutrala bollen att svänga mellan bladen. En av dem har ett överskott av negativ laddning som kommer att ge bollen, vilket kommer att lockas av det positiva arket.

Kulan kommer att lägga ut sina överskottselektroner på detta ark, den kommer att neutraliseras kort och cykeln kommer att upprepas igen så länge veven fortsätter att vrida.

referenser

1. De Queiroz, A. Elektrostatiska maskiner. Återställd från: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Elektrostatiska tillämpningsprinciper. Återställd från: orbus.be