WIMSHURST MAŠĪNA: VĒSTURE, KĀ TĀ DARBOJAS UN LIETOJUMPROGRAMMAS - FIZISKĀ - 2025

Wimshurst mašīna ir augstsprieguma, zema strāvas stiprums elektrostatisko ģenerators, spēj radīt statisko elektrību, nodalot maksājumus, pateicoties mijas ar kloķa. No otras puses, pašlaik izmantotie ģeneratori, piemēram, akumulatori, ģeneratori un dinamika, drīzāk ir elektromotora spēka avoti, izraisot lādiņu kustību slēgtā ķēdē.

Wimshurst mašīnu laikā no 1880. līdz 1883. gadam izstrādāja britu inženieris un izgudrotājs James Wimshurst (1832-1903), uzlabojot citu izgudrotāju piedāvātās elektrostatisko ģeneratoru versijas.

Wimshurst mašīna. Avots: Andijs Dinglijs (skeneris)

Tas izceļas ar iepriekšējām elektrostatiskajām mašīnām ar uzticamu, reproducējamu darbību un vienkāršu uzbūvi, jo spēj radīt satriecošu potenciālu starpību no 90 000 līdz 100 000 voltiem.

Wimshurst mašīnu daļas

Mašīnas pamatne ir divi raksturīgi izolācijas materiāla diski, kuriem ir piestiprinātas plānas metāla loksnes un sakārtotas radiālo sektoru veidā.

Katrā metāla nozarē ir cits diametrāli pretējs un simetrisks. Disku diametrs parasti ir no 30 līdz 40 cm, bet tie var būt arī daudz lielāki.

Abi diski ir uzstādīti vertikālā plaknē un ir atdalīti ar attālumu no 1 līdz 5 mm. Ir svarīgi, lai diski vērpšanas laikā nekad nepieskartos. Diski tiek pagriezti pretējos virzienos, izmantojot skriemeļa mehānismu.

Wimshurst mašīnai ir divi metāla stieņi, kas ir paralēli katra diska rotācijas plaknei: viens pret pirmā diska ārpusi un otrs otrā diska ārpuses virzienā. Šie stieņi krustojas leņķī attiecībā pret otru.

Katra stieņa galos ir metāla sukas, kas veido kontaktu ar pretējiem metāla sektoriem katrā diskā. Tie ir pazīstami kā neitralizatora stieņi laba iemesla dēļ, kas drīz tiks apspriests.

Birstes elektriski (metāliski) saskaras ar diska sektoru, kas pieskaras stieņa vienam galam, ar sektoru diametrāli pretēju. Tas pats notiek ar otru albumu.

Triboelektriskais efekts

Disku sukas un sekcijas ir izgatavotas no dažādiem metāliem, gandrīz vienmēr no vara vai bronzas, bet disku asmeņi ir izgatavoti no alumīnija.

Dzelzceļa kontakts starp tiem, kamēr diski griežas, un sekojošā atdalīšana rada iespēju apmainīties ar uzlīmēm, pateicoties saķerei. Tas ir triboelektriskais efekts, kas var rasties, piemēram, arī starp dzintara gabalu un vilnas audumu.

Ar U veida metāla savācēju (ķemmi) pāri tiek pievienoti mašīnai ar metāla smaili vai stieni, kas atrodas pretējās pozīcijās.

Abu disku sektori iziet cauri kolektora U iekšējai daļai, to nepieskaroties. Kolektori ir uzstādīti uz izolācijas pamatnes un, savukārt, savienoti ar diviem citiem metāla stieņiem, kas beidzas ar sfērām, ir cieši saistīti, bet arī nepieskaras.

Ja mašīnai ar kloķi tiek piegādāta mehāniskā enerģija, suku berze rada triboelektrisko efektu, kas atdala lādiņus, pēc tam jau atdalītos elektronus savāc kolektori un glabā divās ierīcēs, kuras sauc par Leyden.

Leyden pudele vai krūze ir kondensators ar cilindriskiem metāla rāmjiem. Katra pudele ir savienota ar otru ar centrālo plāksni, veidojot divus kondensatorus virknē.

Pagriežot kloķi, rodas tik lielas elektriskā potenciāla atšķirības starp sfērām, ka gaiss starp tām jonizē un dzirkstele lec. Pilnīga ierīce ir redzama attēlā iepriekš.

Wimshurst mašīnā elektrība izdalās no matērijas, kuru veido atomi. Un tos, savukārt, veido elektriskie lādiņi: negatīvie elektroni un pozitīvie protoni.

Atomā pozitīvi lādētie protoni ir iesaiņoti centrā vai kodolā, un negatīvi lādētie elektroni ap tā kodolu.

Kad materiāls zaudē dažus no attālākajiem elektroniem, tas kļūst pozitīvi uzlādēts. Un otrādi, ja jūs uztverat dažus elektronus, jūs saņemat tīro negatīvo lādiņu. Kad protonu un elektronu skaits ir vienāds, materiāls ir neitrāls.

Izolācijas materiālos elektroni paliek ap kodoliem, nespējot pārāk tālu nomaldīties. Bet metālos kodoli atrodas tik tuvu viens otram, ka visattālākie elektroni (vai valence) var pāriet no viena atoma uz otru, pārvietojoties pa visu vadošo materiālu.

Ja negatīvi lādēts objekts tuvojas vienai no metāla plāksnes virsmām, tad metāla elektroni attālinās, veicot elektrostatisko atgrūšanu, šajā gadījumā pretējo virsmu. Pēc tam tiek apgalvots, ka plāksne ir kļuvusi polarizēta.

Tagad, ja šī polarizētā plāksne ar negatīvu pusi ir savienota ar vadītāju (neitralizējošiem stieņiem) ar citu plāksni, elektroni pāriet uz šo otro plāksni. Ja savienojums pēkšņi tiek sagriezts, otrā plāksne ir negatīvi uzlādēta.

Iekraušanas un uzglabāšanas cikls

Lai Wimshurst mašīna sāktu darboties, vienam no metāla sektoriem diskā jābūt slodzes nelīdzsvarotībai. Tas notiek dabiski un bieži, it īpaši, ja ir maz mitruma.

Kad diski sāk griezties, būs laiks, kad pretējā diska neitrālais sektors iebilst pret ielādēto sektoru. Pateicoties sukām, tas uz tā rada vienāda lieluma un pretēja virziena lādiņu, jo elektroni virzās prom vai tuvojas saskaņā ar sektoru, ar kuru saskaras.

Wimshurst mašīnas shēma. Avots: RobertKuhlmann

U veida kolekcionāri ir atbildīgi par lādiņa savākšanu, kad diski atgrūž viens otru, jo uz tiem ir uzlādēti vienas un tās pašas zīmes lādiņi, kā parādīts attēlā, un šo lādiņu glabā pie tiem pievienotajās Leyden pudelēs.

Lai to panāktu, U iekšējā daļa izvirzās ķemmai līdzīgās virsotnēs, kas vērstas uz katra diska ārējo virsmu, bet tām nepieskaroties. Ideja ir tāda, ka pozitīvais lādiņš koncentrējas uz padomiem, lai no sektoriem izraidītie elektroni tiktu piesaistīti un uzkrājas pudeļu centrālajā plāksnē.

Tādā veidā sektors, kas vērsts pret kolektoru, zaudē visus elektronus un paliek neitrāls, savukārt Leyden centrālā plāksne ir negatīvi lādēta.

Pretējā kolektorā notiek pretējais, kolektors piegādā elektronus pozitīvajai plāksnei, kas tai pretī, līdz tā tiek neitralizēta un process tiek nepārtraukti atkārtots.

Pielietojumi un eksperimenti

Galvenais Wimshurst mašīnas pielietojums ir iegūt elektrību no katras zīmes. Bet tam ir trūkums, ka tas piegādā diezgan neregulāru spriegumu, jo tas ir atkarīgs no mehāniskās iedarbināšanas.

Neitralizatora stieņu leņķi var mainīt, lai iestatītu augstu izejas strāvu vai augstu izejas spriegumu. Ja neitralizatori atrodas tālu no kolektoriem, mašīna piegādā augstu spriegumu (līdz vairāk nekā 100 kV).

No otras puses, ja tie atrodas tuvu kolektoriem, izejas spriegums samazinās un izejas strāva palielinās, un normālā griešanās ātrumā tas var sasniegt līdz 10 mikroamperiem.

Kad uzkrātais lādiņš sasniedz pietiekami augstu vērtību, sfērās, kas savienotas ar Leydenas centrālajām plāksnēm, rodas augsts elektriskais lauks.

Šis lauks jonizē gaisu un rada dzirksteli, izlādējot pudeles un izraisot jaunu uzlādes ciklu.

1. eksperiments

Elektrostatiskā lauka iedarbību var novērtēt, ievietojot kartona loksni starp sfērām un novērojot, ka dzirksteles tajā veido caurumus.

2. eksperiments

Šim eksperimentam jums būs nepieciešams: svārsts, kas izgatavots no galda tenisa bumbiņas, kas pārklāta ar alumīnija foliju, un divas L formas metāla loksnes.

Bumba ir pakarināta abu lokšņu vidū ar izolācijas stieples palīdzību. Katru loksni ar kabeļiem ar skavām savieno Wimshurst mašīnas elektrodi.

Pagriežot kloķi, sākotnēji neitrālā bumba svārstīsies starp asmeņiem. Vienam no tiem būs pārmērīga negatīvā lādiņa, kas ienesīs bumbu, kuru piesaistīs pozitīvā lapa.

Bumba uz šīs loksnes nogulsnēs liekos elektronus, to īsi neitralizēs un ciklu atkārtos vēlreiz, kamēr kloķis turpina griezties.

Atsauces

1. De Queiroz, A. Elektrostatiskās mašīnas. Atgūts no: coe.ufrj.br
2. Gačanovičs, Mico. 2010. Elektrostatiskās pielietošanas principi. Atgūts no: orbus.be