מכונת Wimshurst הוא מתח גבוה, גנרטור אלקטרוסטטית אמפר נמוך, מסוגל לייצר חשמל סטטי על ידי הפרדת מטענים, הודות תורו של כננת. מצד שני, הגנרטורים המשמשים כיום כמו סוללות, אלטרנטורים ודינמו הם מקורות לכוח אלקטרומוטיבי וגורמים לתנועות טעינה במעגל סגור.
מכונת ווימשטורסט פותחה על ידי המהנדס והממציא הבריטי ג'יימס ווישמורסט (1832-1903) בין השנים 1880 - 1883, ובכך שיפרה גרסאות של גנרטורים אלקטרוסטטיים שהציעו ממציאים אחרים.
מכונת ווימשורסט. מקור: אנדי דינגלי (סורק)
זה בולט על פני מכונות אלקטרוסטטיות קודמות בגלל פעולתן האמינה והניתנת לשחזור ובנייה פשוטה, היכולת לייצר הפרש פוטנציאל מדהים בין 90,000 ל 100,000 וולט.
חלקי מכונת ווימשארסט
בסיס המכונה הם שני דיסקי החומר הבידוד האופייניים, עם יריעות מתכת דקיקות מחוברות ומסודרות בצורה של סקטורים רדיאליים.
לכל מגזר מתכת יש אחרת הפוכה וסימטרית באופן קוטר. קוטר הדיסק בדרך כלל בין 30 ל 40 ס"מ בקוטר, אך הם יכולים גם להיות גדולים בהרבה.
שני הדיסקים מותקנים במישור אנכי ומופרדים על ידי מרחק בין 1 ל- 5 מ"מ. חשוב שהדיסקיות לעולם לא ייגעו במהלך ספינינג. הדיסקים מסתובבים בכיוונים מנוגדים באמצעות מנגנון גלגלת.
למכונה Wimshurst יש שני מוטות מתכת המקבילים למישור הסיבוב של כל דיסק: האחד לכיוון החלק החיצוני של הדיסק הראשון והשני לכיוון החלק החיצוני של הדיסק השני. סורגים אלה מצטלבים בזווית ביחס זה לזה.
בקצות כל מוטות יש מברשות מתכת היוצרות קשר עם מגזרי מתכת מנוגדים בכל דיסק. הם ידועים כסורגים מנטרלים, מסיבה טובה שתידון בקרוב.
המברשות שומרות על קשר חשמלי (מתכתי) עם מגזר הדיסק הנוגע בקצה האחד של המוט, כאשר הגזרה הפוכה באופן קוטר. אותו דבר קורה באלבום השני.
האפקט הטריאו-אלקטרי
המברשות והגזרים של הדיסק עשויים מתכות שונות, כמעט תמיד נחושת או ברונזה, ואילו להבי הדיסקים עשויים אלומיניום.
המגע החולף ביניהם בזמן שהדיסקים מסתובבים וההפרדה לאחר מכן, יוצר אפשרות להחלפת מטענים באמצעות הדבקה. זהו האפקט הטריאו-אלקטרי שיכול להתרחש גם בין חתיכת ענבר ובד צמר למשל.
זוג אספני מתכת בצורת U (מסרקים) מתווספים למכונה עם קצות מתכת או קוצים, הממוקמים בתנוחות הפוכות.
הגזרים של שני הדיסקים עוברים דרך החלק הפנימי של האספן U מבלי לגעת בו. האספנים מורכבים על בסיס מבודד ומחוברים בתורם לשני מוטות מתכת נוספים המסתיימים בספירות, קרובות אך גם לא נוגעות.
כאשר מסופקת אנרגיה מכנית למכונה באמצעות הארכובה, החיכוך של המברשות מייצר את האפקט הטריאו-אלקטרי המפריד בין המטענים, ואחריו האלקטרונים שכבר הופרדו נלכדים על ידי האספנים ונשמרים בשני מכשירים הנקראים בקבוקי ליידן.
בקבוק הלידן או הכד הוא מעבה עם מסגרות מתכת גליליות. כל בקבוק מחובר לשני על ידי הצלחת המרכזית ויוצרים שני קבלים בסדרה.
הפיכת הארכובה מייצרת הבדל כה גבוה בפוטנציאל החשמלי בין הכדורים שהאוויר שביניהם מיינן וניצוץ קופץ. ניתן לראות את המכשיר השלם בתמונה למעלה.
במכונה של ווישמורסט החשמל יוצא מחומר המורכב מאטומים. ואלו בתורם מורכבים ממטענים חשמליים: אלקטרונים שליליים ופרוטונים חיוביים.
באטום הפרוטונים הטעונים באופן חיובי נארזים במרכז או בגרעין ואלקטרונים טעונים באופן שלילי סביב גרעיןו.
כאשר חומר מאבד חלק מהאלקטרונים החיצוניים ביותר שלו, הוא הופך להיות טעון חיובי. לעומת זאת, אם אתה לוכד אלקטרונים מסוימים, אתה מקבל מטען שלילי נטו. כאשר מספר הפרוטונים והאלקטרונים שווה, החומר נייטרלי.
בחומרים מבודדים אלקטרונים נשארים סביב הגרעין שלהם ללא יכולת לסטות רחוק מדי. אבל במתכות הגרעינים כל כך קרובים זה לזה עד שהאלקטרונים החיצוניים ביותר (או הערכיות) יכולים לקפוץ מאטום אחד למשנהו, לנוע לאורך החומר המוליך.
אם חפץ טעון שלילי מתקרב לאחד הפנים של לוחית מתכת, האלקטרונים של המתכת מתרחקים על ידי דחייה אלקטרוסטטית, במקרה זה אל הפנים הנגדיות. לאחר מכן נאמר שהצלחת הפכה לקוטבית.
כעת, אם צלחת מקוטבת זו מחוברת על ידי מוליך (סרגל נטרול) בצד השלילי שלה לצלחת אחרת, האלקטרונים היו עוברים לצלחת שנייה זו. אם החיבור נחתך לפתע, הלוח השני טעון לרעה.
מחזור עומס ואחסון
כדי לאתחל את מכונת ה- Wimshurst, באחד מגזרי המתכת בדיסק צריך להיות חוסר איזון בעומס. זה קורה באופן טבעי ותדיר, במיוחד כאשר יש מעט לחות.
כאשר הדיסקים יתחילו להסתובב, יהיה זמן בו סקטור ניטרלי של הדיסק ההפוך מתנגד לגזרה העמוסה. זה גורם לו מטען בסדר גודל שווה וכיוון הפוך בזכות המברשות, מכיוון שהאלקטרונים מתרחקים או מתקרבים, לפי סימן הגזרה הפונה.
סכמטי של מכונת ווימשטורסט. מקור: RobertKuhlmann
האספנים בצורת U אחראים לאיסוף המטען כאשר הדיסקים דוחים זה את זה מכיוון שהם טעונים במטענים של אותו השלט, כפי שמוצג באיור, ואחסנו מטען זה בבקבוקי ליידן המחוברים אליהם.
כדי להשיג זאת החלק הפנימי של ה- U בולט פסגות דמויות מסרק המכוונות אל הפנים החיצוניות של כל דיסק, אך מבלי לגעת בהן. הרעיון הוא שמטען חיובי מתרכז בקצות, כך שהאלקטרונים המגורשים מהמגזרים נמשכים ומצטברים בצלחת המרכזית של הבקבוקים.
באופן זה המגזר הניצב מול הקולט מאבד את כל האלקטרונים שלו ונשאר ניטרלי, בעוד שהצלחת המרכזית של הליידן טעונה באופן שלילי.
בקולט הנגדי, ההפך קורה, האספן מוסר אלקטרונים לצלחת החיובית הפונה אליו עד לנטרול והתהליך חוזר על עצמו ברציפות.
יישומים וניסויים
היישום העיקרי של מכונת Wimshurst הוא להשיג חשמל מכל שלט. אך יש לו החיסרון שהוא מספק מתח לא סדיר למדי, מכיוון שהוא תלוי בהפעלה המכנית.
ניתן לשנות את זווית סורגי הניטרול להגדרת זרם יציאה גבוה או מתח יציאה גבוה. אם המנטרלים רחוקים מהקולטים, המכונה מספקת מתח גבוה (עד יותר מ- 100 קילוואט).
לעומת זאת, אם הם קרובים לקולטים, מתח היציאה פוחת וזרם היציאה גדל ויכול להגיע עד 10 מיקרו-מפנק במהירויות סיבוב רגילות.
כאשר המטען המצטבר מגיע לערך מספיק גבוה נוצר שדה חשמלי גבוה בתחומים המחוברים ללוחות המרכזיים של ליידן.
שדה זה מיינן את האוויר ומייצר את הניצוץ, משחרר את הבקבוקים ומוליד מחזור טעינה חדש.
ניסוי 1
ניתן להעריך את השפעות השדה האלקטרוסטטי על ידי הנחת דף קרטון בין הכדורים וצפייה כי הניצוצות יוצרים בו חורים.
ניסוי 2
לצורך ניסוי זה תצטרך: מטוטלת העשויה מכדור פינג פונג מכוסה ברדיד אלומיניום ושני יריעות מתכת בצורת L.
הכדור נתלה באמצע שני הסדינים באמצעות חוט בידוד. כל גיליון מחובר לאלקטרודות של מכונת ה- Wimshurst באמצעות כבלים עם מהדקים.
כאשר מסתובב הארכובה, הכדור הנייטרלי בתחילה יתנדנד בין הלהבים. לאחד מהם יהיה עודף של מטען שלילי שיניב לכדור, שיימשך על ידי הסדין החיובי.
הכדור יפקיד את האלקטרונים העודפים שלו על הסדין הזה, הוא ינטרל לזמן קצר והמעגל יחזור שוב כל עוד הארכובה תמשיך להסתובב.
הפניות
- De Queiroz, A. מכונות אלקטרוסטטיות. התאושש מ: coe.ufrj.br
- גאקאנוביץ ', מיקו. 2010. עקרונות יישומים אלקטרוסטטיים. התאושש מ: orbus.be