Generatorul Wimshurst sau mașina de electroformare este un dispozitiv electrostatic inductiv conceput ca o sursă continuă de energie electrică. Folosit în secolul XXI ca tehnică auxiliară pentru demonstrarea experimentelor fizice care implică diverse efecte și fenomene electrice.
Cuprins
Un pic din istoria invenției
În 1865, un fizician experimental german, August Thöepler, a făcut desenele finale ale unei mașini de electroformare. În același timp, o a doua descoperire independentă a unei mașini similare a fost făcută de omul de știință german Wilhelm Holz. Principala diferență a dispozitivului a fost capacitatea sa de a produce o putere și o diferență de potențial ridicate. Holtz este considerat creatorul sursei de curent electric continuu.
Proiectul inițial simplu al mașinii de electroformare a fost îmbunătățit în 1883 de James Wimshurst din Anglia. Modificarea sa este utilizată în toate laboratoarele de fizică pentru demonstrarea vizuală a experimentelor.
Construcția mașinii de electroformare
Două discuri coaxiale se rotesc unul împotriva celuilalt în timp ce poartă condensatori sectoriali simpli din aluminiu. Datorită unor procese aleatorii din momentul primar, se generează o sarcină pe un segment al unuia dintre segmente. Acest fenomen este cauzat de procesul de frecare cu aerul. Din cauza simetriei designului, semnul final nu poate fi prezis în avans.
În construcție sunt folosite două borcane Leiden. Acestea creează un singur sistem din condensatori conectați în serie. Acest lucru afectează reducerea dublă a cerințelor de tensiune de funcționare a fiecărui condensator. Aceleași valori nominale ar trebui să fie selectate ca o garanție a unei distribuții uniforme a tensiunii de funcționare.
Neutralizatoarele inductive sunt concepute pentru a reduce tensiunea. Întreaga construcție seamănă cu un pieptene de metal care plutește la o anumită distanță deasupra discului. Ambele discuri cu semne de suprafață exterioară echivalente ajung la punctul de eliminare a încărcăturii. Neutralizatorii sunt împerecheați. Încărcarea segmentelor este mult redusă după ce a fost realizat punctul de descărcare. În modelele suplimentare, peria este în contact ușor cu marginea discului.
Operatorul forțează elementele de respingere ale sistemului să se unească, fie cu ajutorul unei unități electrice, fie cu mâna sa. Sarcinile care interacționează între ele tind să se împrăștie cât mai mult posibil. Procesul încurajează o creștere bruscă a densității de sarcină de suprafață în toate punctele de extracție.
Electricitatea este colectată în băncile Leiden de pe crestele de neutralizare. Are loc o creștere rapidă a tensiunii. Un descărcător atașat la cei 2 electrozi ajută la evitarea defecțiunilor sistemului. Este posibil să se obțină arcuri de intensități diferite prin ajustarea distanței dintre ele. Există o corelație: cu cât intensitatea câmpului dintre cele 2 descărcătoare este mai mare, cu atât mai zgomotos este efectul care însoțește golirea borcanelor Leyden.
Segmentele rămân golite după punctul de eliminare a încărcăturii. Potențialele egalizatoare sau neutralizatoare sunt instalate de-a lungul traseului mișcării. Fiecare parte opusă a discului a renunțat deja la încărcătură la diferitele perii. În momentul trecerii punctului de extracție și după acesta, semnele reziduale ale încărcăturii sunt diferite.
O bucată de sârmă de cupru groasă cu perii de sârmă fină, plutind la o înălțime mică sau frecând segmentele, ajută la închiderea acestor semne opuse. Rezultatul este că sarcinile de pe ambele segmente sunt egale cu zero, toată energia este convertită conform legii Joule-Lenz în căldură generată pe firul de cupru îngroșat.
Ce sunt borcanele Leiden
Primul condensator electric creat de omul de știință olandez Pieter van Muschenbroek a fost borcanul Leiden. Condensatorul inventat are forma unui cilindru cu un gât larg sau mediu, de diferite diametre. Borcanul Leiden este fabricat din sticlă. Acesta este căptușit în interior și în exterior cu o foaie specială de tablă. Produsul este acoperit cu un capac din lemn. Funcția principală a invenției este de a acumula și stoca încărcături mari.
Crearea unui astfel de borcan a fost stimulată de un studiu amplu al electricității, al vitezei sale generale de propagare și al proprietăților de conductivitate electrică ale diferitelor materiale. A fost prima dată când o scânteie electrică a putut fi produsă artificial. În prezent, borcanele Leiden sunt utilizate doar ca parte integrantă a mașinilor de electroformare.
Cum funcționează o mașină de electroformare
Energia pentru schimbarea mărcilor este preluată din puterea operatorului. Deja între egalizatoare și perii, discurile se deplasează cu repulsie reciprocă unul față de celălalt. Numărul de rotații pe minut joacă un rol important. Densitatea de sarcină este crescută. Cea mai puternică încărcătură a discurilor opuse împinge reziduul prin secțiunile de sârmă de cupru. De aici provine energia, suficientă pentru a schimba semnul.
Prin creșterea densității suprafeței, sarcina este eliminată în unitate. Într-un singur punct, energia este stocată în borcanul Leiden, iar un alt punct este folosit pentru a schimba semnul. Neutralizatoarele cu inducție sunt practic imposibil de distins. Ambele au o funcție comună de neutralizare a energiei. Circuite generale:
- Există 2 tipuri de condensatori în proiectare: borcane Leyden în care se stochează sarcina și o combinație a unui segment din ambele discuri cu un dielectric și un capac din aluminiu.
- Reducerea încărcăturii segmentelor de aluminiu este asigurată de două tipuri de neutralizatori. Primul este utilizat pentru a schimba semnul sau polarizarea, iar cel de-al doilea pentru a încărca borcanul Leiden.
Toată energia nu provine din frecarea aluminiului și a cuprului sau din electrificarea aerului. Acesta este creat prin forțarea condensatoarelor să se umple cu forța de torsiune a discului. Toate procesele sunt realizate prin creșterea dramatică a densității de sarcină de suprafață în punctele de extracție.
Aplicații ale mașinii de electroformare
Începând cu anii 1970, mașina Wimshurst nu a mai fost utilizată pentru extragerea directă a energiei electrice. În prezent, acesta servește ca expoziție istorică, ilustrând istoria și dezvoltarea progresului științific și tehnologic și a gândirii inginerești. O demonstrație de laborator a scopului pentru care este făcută o mașină de electroformare arată diferitele fenomene și efecte ale electricității.
Este acceptabilă utilizarea neutralizatorilor de inducție, care elimină sarcinile din dielectrici lichizi, cum ar fi uleiul. Este periculos să se producă o scânteie în aer în orice instalație de producție, aceasta poate duce la efecte dăunătoare, fum și chiar la o explozie.
Istoria descoperirii și cercetării în domeniul electricității este strâns legată de aplicarea diferitelor modele și dispozitive de producere a sarcinilor electrice. Mașina de electroformare, a cărei acțiune se bazează pe excitarea electricității prin inducție, a jucat un rol important în cercetarea științifică.
Articole conexe:
