Wimshurst-generatoren eller elektroformningsmaskinen er en induktiv elektrostatisk anordning, der er designet som en kontinuerlig kilde til elektrisk energi. Anvendes i det 21. århundrede som en hjælpeteknik til at demonstrere fysiske eksperimenter, der involverer forskellige elektriske effekter og fænomener.
Indhold
Lidt om opfindelsens historie
I 1865 tegnede den tyske eksperimentalfysiker August Thöepler de endelige tegninger af en elektroformningsmaskine. På samme tid gjorde den tyske videnskabsmand Wilhelm Holz en anden uafhængig opdagelse af en lignende maskine. Den største forskel ved apparatet var dets evne til at producere høj effekt og potentialforskel. Holtz anses for at være skaberen af den elektriske jævnstrømskilde.
Det enkle oprindelige design af elektroformningsmaskinen blev forbedret i 1883 af James Wimshurst fra England. Dens modifikation anvendes i alle fysiklaboratorier til visuel demonstration af eksperimenter.
Konstruktion af elektroformningsmaskinen
To koaksiale skiver roterer mod hinanden, mens de bærer simple sektorkondensatorer af aluminium. På grund af tilfældige processer i det primære øjeblik genereres en ladning på et segment af et af segmenterne. Dette fænomen skyldes friktionsprocessen mod luften. På grund af designets symmetri kan det endelige tegn ikke forudsiges på forhånd.
Der er brugt to Leiden-krukker i konstruktionen. De skaber et enkelt system af kondensatorer, der er forbundet i serie. Dette påvirker den dobbelte reduktion af driftsspændingskravene for hver kondensator. Der bør vælges de samme værdier som en garanti for en jævn fordeling af driftsspændingen.
De induktive neutralisatorer er designet til at aflede spændingen. Hele konstruktionen ligner en metalkam, der svæver et stykke over skiven. Begge skiver med tilsvarende ydre overfladetegn ankommer til det sted, hvor afgiften fjernes. Neutraliseringsmidlerne er parret. Opladningen af segmenterne reduceres kraftigt, efter at udledningspunktet er blevet realiseret. I de yderligere modeller er børsten i let kontakt med kanten af skiven.
Operatøren tvinger systemets frastødende elementer sammen enten ved hjælp af et elektrisk drev eller ved hjælp af sin egen hånd. De ladninger, der interagerer med hinanden, har en tendens til at sprede sig så langt som muligt. Processen fremmer en kraftig stigning i overfladeladningstætheden på alle udtrækningssteder.
Elektricitet opsamles i Leiden-bankerne fra neutraliseringsryggene. Der sker en hurtig stigning i spændingen. En afskærmning, der er fastgjort til de to elektroder, hjælper med at undgå fejl i systemet. Det er muligt at opnå buer af forskellig styrke ved at justere afstanden mellem dem. Der er en sammenhæng: jo stærkere feltstyrken er mellem de to udladere, jo mere støjende er den effekt, der ledsager tømningen af Leydenglassene.
Segmenterne forbliver tomme efter det punkt, hvor opladningen fjernes. Der installeres potentielle udlignere eller neutralisatorer langs bevægelsesforløbet. Hver modsatte side af disken har allerede afgivet ladningen til de forskellige børster. På det tidspunkt, hvor udtrækspunktet passeres, og efter det, er de resterende tegn på ladningen forskellige.
Et stykke tyk kobbertråd med fine trådbørster, der svæver i lav højde eller gnider segmenterne, hjælper med at lukke disse modsatrettede tegn. Resultatet er, at ladningerne på begge segmenter er lig nul, og at al energien omdannes i henhold til Joule-Lenz-loven til den varme, der genereres på den fortykkede kobbertråd.
Hvad er Leiden krukker
Den første elektriske kondensator, som blev skabt af den hollandske videnskabsmand Pieter van Muschenbroek, var Leiden-krukken. Den opfundne kondensator er formet som en cylinder med en bred eller mellemstor hals af forskellig diameter. Leiden-krukken er lavet af glas. Den er indvendigt og udvendigt beklædt med en særlig plade af blik. Produktet er dækket af et låg af træ. Opfindelsens hovedfunktion er at akkumulere og opbevare store ladninger.
Oprettelsen af en sådan krukke blev stimuleret af en omfattende undersøgelse af elektricitet, dens generelle udbredelseshastighed og de forskellige materialers egenskaber for elektricitetens ledningsevne. Det var første gang, at en elektrisk gnist kunne produceres kunstigt. I dag anvendes Leiden-krukker kun som en integreret del af elektroformningsmaskiner.
Sådan fungerer en elektroformningsmaskine
Energien til ændring af mærkerne tages fra operatørens kraft. Allerede mellem udlignerne og børsterne bevæger skiverne sig med gensidig afstødning mod hinanden. Antallet af omdrejninger pr. minut spiller også en rolle. Ladningstætheden øges. Den stærkeste ladning fra de modsatte skiver skubber reststoffet gennem kobbertrådsafsnittene. Herfra kommer energien, som er tilstrækkelig til at ændre tegnet.
Ved at øge overfladetætheden fjernes ladningen i enheden. I et enkelt punkt lagres energien i Leiden-krukken, og et andet punkt bruges til at ændre fortegnet. Induktionsneutralisatorer er næsten umulige at skelne fra hinanden. De har begge en fælles energineutraliserende funktion. Generelt kredsløb:
- Der er 2 typer kondensatorer i konstruktionen: Leyden-krukker, hvor ladningen lagres, og en kombination af et segment af begge skiver med et dielektrikum og et aluminiumsdæksel.
- Reduktion af ladningen af aluminiumsegmenterne håndteres af 2 typer neutralisatorer. Den første bruges til at ændre fortegn eller polarisering og den anden til at oplade Leiden-krukken.
Al energien kommer ikke fra friktion af aluminium og kobber eller fra elektrificering af luften. Den skabes ved at tvinge kondensatorer til at fylde sig med skivens torsionskraft. Alle processer udføres ved at øge overfladeladningstætheden dramatisk ved ekstraktionspunkterne.
Anvendelse af elektroformningsmaskinen
Siden 1970'erne har Wimshurst-maskinen ikke været anvendt til direkte udvinding af elektrisk energi. I dag fungerer det som en historisk udstilling, der illustrerer historien og udviklingen af videnskabelige og teknologiske fremskridt og tekniske tanker. En laboratoriedemonstration af, hvad en elektroformningsmaskine er lavet til, viser de forskellige fænomener og virkninger af elektricitet.
Det er acceptabelt at anvende induktionsneutralisatorer, der fjerner ladninger fra flydende dielektriske stoffer som f.eks. olie. Det er farligt at få en gnist i luften i et produktionsanlæg, da det kan føre til skadelige virkninger, røg og endda en eksplosion.
Historien om opdagelser og forskning inden for elektricitet er tæt forbundet med anvendelsen af forskellige konstruktioner og anordninger til at frembringe elektriske ladninger. Elektroformningsmaskinen, hvis funktion er baseret på spænding af elektricitet ved hjælp af induktion, har spillet en rolle i den videnskabelige forskning.
Relaterede artikler:
