Wimshurstův generátor neboli elektroformovací stroj je indukční elektrostatické zařízení určené jako trvalý zdroj elektrické energie. Používá se v 21. století jako pomocná technika k demonstraci fyzikálních experimentů zahrnujících různé elektrické jevy a efekty.
Obsah
Něco málo z historie vynálezu
V roce 1865 nakreslil německý experimentální fyzik August Thöepler konečný nákres elektroformovacího stroje. Ve stejné době učinil druhý nezávislý objev podobného stroje německý vědec Wilhelm Holz. Hlavním rozdílem tohoto zařízení byla jeho schopnost produkovat vysoký výkon a rozdíl potenciálů. Holtz je považován za tvůrce zdroje stejnosměrného elektrického proudu.
Původní jednoduchou konstrukci elektroformovacího stroje vylepšil v roce 1883 Angličan James Wimshurst. Jeho modifikace se používá ve všech fyzikálních laboratořích pro názornou demonstraci experimentů.
Konstrukce galvanoplastického stroje
2 souosé disky se otáčejí proti sobě a nesou jednoduché hliníkové sektorové kondenzátory. V důsledku náhodných procesů v primárním momentu vzniká na úseku jednoho z úseků náboj. Tento jev je způsoben třením o vzduch. Vzhledem k symetrii konstrukce nelze konečné znaménko předem předvídat.
V konstrukci jsou použity dvě leidenské nádoby. Z kondenzátorů zapojených do série vytvářejí jeden systém. To má za následek snížení požadavků na provozní napětí každého kondenzátoru na dvojnásobek. Stejné jmenovité hodnoty by měly být zvoleny jako záruka rovnoměrného rozložení provozního napětí.
Indukční neutralizátory jsou určeny k uvolnění napětí. Celá konstrukce připomíná kovový hřeben, který se vznáší v určité vzdálenosti nad diskem. Oba kotouče se stejnými vnějšími znaky se dostanou do místa odstranění nálože. Neutralizátory jsou párové. Po realizaci vybíjecího bodu se náboj segmentů výrazně sníží. V dalších provedeních je kartáč ve snadném kontaktu s okrajem kotouče.
Obsluha přitlačí odpuzující prvky systému k sobě buď pomocí elektrického pohonu, nebo vlastní rukou. Náboje, které na sebe vzájemně působí, mají tendenci se co nejvíce rozptýlit. Tento proces podporuje prudký nárůst hustoty povrchového náboje ve všech bodech extrakce.
Elektrická energie se shromažďuje v Leidenských nádržích z neutralizačních hřebenů. Dochází k rychlému nárůstu napětí. Svodič připojený ke dvěma elektrodám pomáhá zabránit selhání systému. Nastavením vzdálenosti mezi nimi je možné získat oblouky různé síly. Existuje souvislost: čím silnější je intenzita pole mezi dvěma výbojkami, tím hlučnější jev doprovází vyprazdňování Leydenských sklenic.
Segmenty zůstávají po vyjmutí náplně prázdné. V průběhu pohybu jsou instalovány potenciální vyrovnávače nebo neutralizátory. Každá protilehlá strana kotouče již odevzdala náboj na různých kartáčích. V okamžiku průchodu bodem odběru a po něm se zbytkové znaky náboje liší.
Kousek silného měděného drátu s jemnými drátěnými kartáčky, který se vznáší v malé výšce nebo tře segmenty, pomáhá uzavřít tyto protilehlé znaky. Výsledkem je, že náboje na obou segmentech se vyrovnají na nulu, veškerá energie se podle Jouleova-Lenzova zákona přemění na teplo vznikající na zesíleném měděném drátu.
Co jsou to leidenské sklenice
Prvním elektrickým kondenzátorem, který vytvořil nizozemský vědec Pieter van Muschenbroek, byla Leidenská sklenice. Vynalezený kondenzátor má tvar válce s širokým nebo středně velkým hrdlem o různém průměru. Leidenská nádoba je vyrobena ze skla. Zevnitř i zvenku je vyložen speciálním plechem. Výrobek je přikryt dřevěným víkem. Hlavní funkcí vynálezu je akumulace a ukládání velkých náloží.
Podnětem k vytvoření takové nádoby bylo rozsáhlé studium elektřiny, její obecné rychlosti šíření a vlastností vodivosti různých materiálů. Poprvé se podařilo uměle vyrobit elektrickou jiskru. V současné době se leidenské nádoby používají pouze jako nedílná součást galvanoplastických strojů.
Jak funguje galvanoplastický stroj
Energie pro změnu značek je odebírána ze síly obsluhy. Již mezi vyrovnávači a kartáči se kotouče pohybují se vzájemným odpuzováním. Počet otáček za minutu hraje svou roli. Hustota náboje se zvýší. Nejsilnější náboj protilehlých kotoučů protlačuje zbytky přes úseky měděného drátu. Z ní pochází energie, která stačí ke změně znaménka.
Zvýšením povrchové hustoty se náboj v jednotce odstraní. V jednom bodě je energie uložena v Leidenské sklenici a v jiném bodě se použije ke změně znaménka. Indukční neutralizátory jsou prakticky nerozlišitelné. Obě mají společnou funkci neutralizace energie. Obecné obvody:
- V konstrukci jsou 2 typy kondenzátorů: Leydenské nádoby, ve kterých je uložen náboj, a kombinace segmentu obou disků s dielektrikem a hliníkovým krytem.
- Snížení náboje hliníkových segmentů se provádí pomocí 2 typů neutralizátorů. První se používá ke změně znaménka nebo polarizace a druhý k nabíjení Leidenské nádoby.
Veškerá energie nepochází z tření hliníku a mědi ani z elektrifikace vzduchu. Vzniká tak, že se kondenzátory naplní torzní silou disku. Všechny procesy se provádějí výrazným zvýšením hustoty povrchového náboje v místech extrakce.
Použití galvanoplastického stroje
Od 70. let 20. století se Wimshurstův stroj nepoužívá k přímému získávání elektrické energie. Dnes slouží jako historická expozice, která ilustruje historii a vývoj vědeckého a technického pokroku a technického myšlení. Laboratorní ukázka toho, k čemu slouží elektroformovací stroj, ukazuje různé jevy a účinky elektřiny.
Je přípustné používat indukční neutralizátory, které odstraňují náboje z kapalných dielektrik, jako je olej. Jiskra ve vzduchu v jakémkoli výrobním zařízení je nebezpečná, může vést ke škodlivým účinkům, kouři a dokonce k výbuchu.
Historie objevů a výzkumů v oblasti elektřiny je úzce spjata s používáním různých konstrukcí a zařízení pro výrobu elektrických nábojů. Elektroformovací stroj, jehož činnost je založena na buzení elektřinou prostřednictvím indukce, sehrál svou roli ve vědeckém výzkumu.
Související články:
