Generator Wimshursta lub maszyna elektroforowa to indukcyjne urządzenie elektrostatyczne zaprojektowane jako ciągłe źródło energii elektrycznej. W XXI wieku służy jako technika pomocnicza do demonstrowania eksperymentów fizycznych związanych z różnymi efektami i zjawiskami elektrycznymi.
Zawartość
Trochę historii wynalazku
W 1865 roku fizyk doświadczalny z Niemiec August Tepler opracował końcowe rysunki maszyny elektroforowej. W tym samym czasie drugiego samodzielnego odkrycia takiej jednostki dokonał niemiecki naukowiec Wilhelm Holz. Główną różnicą urządzenia była możliwość uzyskania większej mocy i różnicy potencjałów. Holtz jest uważany za twórcę źródła stałego prądu elektrycznego.
Prosty początkowy projekt maszyny elektroforowej został ulepszony w 1883 roku przez Jamesa Wimshursta z Anglii.Jego modyfikacja jest używana we wszystkich laboratoriach fizycznych do wizualnej demonstracji eksperymentów.
Projekt maszyny elektroforowej
2 współosiowe dyski obracają się względem siebie, przenosząc najprostsze kondensatory z sektorów aluminiowych. W wyniku procesów losowych w pierwotnym momencie w miejscu jednego z segmentów powstaje ładunek. Zjawisko to spowodowane jest procesem tarcia o powietrze. Ze względu na symetrię projektu nie można z góry przewidzieć ostatecznego znaku.
Projekt wykorzystuje 2 słoiki Leyden. Tworzą jeden układ z połączonych szeregowo kondensatorów. Powoduje to podwojenie wymagań dotyczących napięcia roboczego w każdym zbiorniku. Konieczne jest wybranie tych samych ocen, jest to klucz do równomiernego rozkładu napięcia roboczego.
Neutralizatory indukcyjne służą do rozładunku napięcia. Cała konstrukcja przypomina metalowy grzebień unoszący się w pewnej odległości nad dyskiem. Oba dyski z równoważnymi znakami powierzchni zewnętrznej docierają do punktu usuwania ładunku. Neutralizatory są sparowane. Po rozładowaniu ładunek segmentów jest znacznie zmniejszony. W dodatkowych wykonaniach szczoteczka łatwo wchodzi w kontakt z krawędzią krążka.
Operator, wykorzystując siłę napędu elektrycznego lub własną rękę, na siłę łączy odpychające elementy układu. Oddziałujące ze sobą ładunki starają się w miarę możliwości ustabilizować. Proces przyczynia się do gwałtownego wzrostu gęstości ładunku powierzchniowego we wszystkich punktach usuwania.
Energia elektryczna jest gromadzona w słojach Leiden z herbów neutralizatorów. Następuje gwałtowny wzrost napięcia.Iskiernik przymocowany do 2 elektrod pomaga uniknąć awarii systemu. Możliwe jest uzyskanie łuku o różnej sile poprzez regulację odległości między nimi. Istnieje zależność: im silniejsze natężenie pola między dwoma iskiernikami, tym głośniejszy efekt towarzyszy procesowi opróżniania słoików Leiden.
Segmenty pozostają puste za punktem usuwania ładunku. Wyrównywacze potencjałów lub neutralizatory są instalowane na dole zgodnie z zasadą działania. Każda przeciwna strona tarczy została już obciążona różnymi szczotkami. W momencie przejazdu przez punkt odbioru i po nim znaki ładunku resztkowego są inne.
Unoszący się na niewielkiej wysokości kawałek grubego drutu miedzianego ze szczotkami z najcieńszych drutów lub ocierające się segmenty przyczynia się do zamknięcia tych przeciwieństw. Wynik - ładunki na obu segmentach są równe zeru, cała energia jest zamieniana zgodnie z prawem Joule'a-Lenza na ciepło generowane na zagęszczonym rdzeniu miedzianym.
Czym są banki Leiden
Pierwszym kondensatorem elektrycznym stworzonym przez holenderskich naukowców Pietera van Muschenbroeka był słoik lejdejski. Wynaleziony kondensator ma kształt walca z szeroką lub średnią szyjką o różnych średnicach. Słoik Leyden wykonany jest ze szkła. Od wewnątrz i na zewnątrz jest oklejany specjalną blachą. Produkt pokryty drewnianą pokrywką. Główną funkcją wynalazku jest gromadzenie i przechowywanie dużych ładunków.
Stworzenie takiego banku stymulowane było szeroko zakrojonymi badaniami elektryczności, ogólną szybkością jej dystrybucji, a także właściwościami przewodnictwa elektrycznego różnych materiałów. Dzięki niej po raz pierwszy udało się wytworzyć sztucznie iskrę elektryczną.Teraz puszki Leiden są używane tylko jako integralna część maszyn elektroforowych.
Jaka jest zasada działania maszyny elektroforowej?
Z siły operatora pobierana jest energia do zmiany znaków. Już między korektorami i szczotkami dyski poruszają się z wzajemnym odpychaniem do siebie. Istotną rolę odgrywa liczba obrotów na minutę. Zwiększona gęstość ładunku. Najsilniejszy ładunek przeciwnych dysków przepycha pozostałości przez odcinki drutu miedzianego. Z tego wynika energia wystarczająca do zmiany znaku.
Poprzez zwiększenie gęstości powierzchniowej ładunek jest usuwany z urządzenia. W jednym miejscu w banku Leiden powstają rezerwy energii, inne miejsce służy do zmiany znaku. Neutralizatory indukcyjne praktycznie nie różnią się od siebie. Oba pełnią wspólną funkcję neutralizacji energii. Schemat ogólny:
- W konstrukcji występują 2 rodzaje kondensatorów: baterie Leiden, w których gromadzi się ładunek, oraz połączenie segmentu obu dysków z dielektrykiem i aluminiową wyściółką.
- Istnieją 2 rodzaje neutralizatorów, które zmniejszają ładunek aluminiowych segmentów. Pierwszy służy do zmiany znaku lub polaryzacji, drugi do ładowania słoika lejdejskiego.
Cała energia nie pochodzi z tarcia aluminium i miedzi ani elektryfikacji powietrza. Powstaje przez przymusowe wypełnienie kondensatorów siłą skręcającą dysku. Wszystkie procesy są przeprowadzane ze względu na gwałtowny wzrost gęstości ładunku powierzchniowego w punktach usuwania.
Zastosowanie maszyny elektroforowej
Od lat 70. maszyna Wimshurst nie jest wykorzystywana do bezpośredniej produkcji energii elektrycznej.Dziś pełni funkcję historycznego eksponatu ilustrującego historię powstania i rozwoju postępu naukowo-technicznego i inżynieryjnego. Pokaz laboratoryjny, do którego powstaje maszyna elektroforowa, pokazuje różne zjawiska i skutki działania elektryczności.
Dopuszczalne jest stosowanie neutralizatorów indukcyjnych usuwających ładunki z ciekłych dielektryków, np. oleju. Niebezpieczne jest, aby w każdej produkcji pojawiła się iskra w powietrzu, może to prowadzić do katastrofalnych konsekwencji, dymu, a nawet wybuchu.
Historia odkryć i badań w dziedzinie elektryczności jest ściśle związana z wykorzystaniem różnych konstrukcji i urządzeń do pozyskiwania ładunków elektrycznych. Maszyna elektroforowa odegrała swoją rolę w badaniach naukowych, których działanie opiera się na wzbudzeniu elektryczności w wyniku indukcji.
Podobne artykuły:
