Der Wimshurst-Generator oder die Galvanoforming-Maschine ist ein induktives elektrostatisches Gerät, das als kontinuierliche Quelle für elektrische Energie konzipiert ist. Wird im 21. Jahrhundert als Hilfsmittel zur Demonstration physikalischer Experimente mit verschiedenen elektrischen Effekten und Phänomenen verwendet.
Inhalt
Ein kleiner Abriss der Geschichte der Erfindung
Im Jahr 1865 zeichnete der deutsche Experimentalphysiker August Thöpler die endgültigen Zeichnungen einer Galvanoforming-Maschine. Zur gleichen Zeit machte der deutsche Wissenschaftler Wilhelm Holz eine zweite unabhängige Entdeckung einer ähnlichen Maschine. Der Hauptunterschied des Geräts war seine Fähigkeit, eine hohe Leistung und Potentialdifferenz zu erzeugen. Holtz gilt als der Erfinder der elektrischen Gleichstromquelle.
Der einfache ursprüngliche Entwurf der Galvanoforming-Maschine wurde 1883 von James Wimshurst aus England verbessert. Seine Modifikation wird in allen Physiklabors zur visuellen Demonstration von Experimenten verwendet.
Die Konstruktion der Galvanoforming-Maschine
2 koaxiale Scheiben rotieren gegeneinander und tragen einfache Aluminium-Sektor-Kondensatoren. Aufgrund von Zufallsprozessen im primären Moment wird auf einem Segment eines der Segmente eine Ladung erzeugt. Dieses Phänomen wird durch den Prozess der Reibung an der Luft verursacht. Aufgrund der Symmetrie des Musters kann das endgültige Vorzeichen nicht im Voraus bestimmt werden.
Für die Konstruktion werden zwei Leidenstöpfe verwendet. Sie bilden aus den in Reihe geschalteten Kondensatoren ein einziges System. Dies hat zur Folge, dass der Betriebsspannungsbedarf jedes Kondensators um den Faktor zwei sinkt. Um eine gleichmäßige Verteilung der Betriebsspannung zu gewährleisten, sollten die gleichen Nennwerte gewählt werden.
Die induktiven Neutralisatoren sind so konzipiert, dass sie die Spannung entlasten. Die gesamte Konstruktion ähnelt einem Metallkamm, der in einiger Entfernung über der Scheibe schwebt. Beide Scheiben mit gleichem äußerem Zeichen erreichen den Punkt der Ladungsentnahme. Die Neutralisatoren sind gepaart. Die Ladung der Segmente wird nach Erreichen des Entladepunktes stark reduziert. Bei den zusätzlichen Ausführungen ist die Bürste in leichtem Kontakt mit dem Rand der Scheibe.
Der Bediener drückt die abstoßenden Elemente des Systems entweder mit einem elektrischen Antrieb oder mit der eigenen Hand zusammen. Die miteinander wechselwirkenden Ladungen neigen dazu, sich so weit wie möglich zu verteilen. Der Prozess führt zu einem starken Anstieg der Oberflächenladungsdichte an allen Extraktionspunkten.
Die Elektrizität wird in den Leidener Bänken von den Neutralisationskämmen gesammelt. Es kommt zu einem raschen Anstieg der Spannung. Ein an den 2 Elektroden angebrachter Ableiter hilft, einen Ausfall des Systems zu vermeiden. Es ist möglich, Bögen unterschiedlicher Stärke zu erhalten, indem der Abstand zwischen ihnen angepasst wird. Es besteht ein Zusammenhang: Je stärker die Feldstärke zwischen den beiden Entladungsgeräten ist, desto lauter ist der Effekt, der das Entleeren der Leydener Gläser begleitet.
Die Segmente bleiben nach der Entnahmestelle leer. Potenzielle Ausgleichsvorrichtungen oder Neutralisierungsvorrichtungen werden entlang des Verlaufs der Bewegung installiert. Jede gegenüberliegende Seite der Scheibe hat die Ladung bereits an den verschiedenen Bürsten abgegeben. Zum Zeitpunkt des Passierens der Entnahmestelle und danach sind die Restzeichen der Ladung unterschiedlich.
Ein Stück dicker Kupferdraht mit feinen Drahtbürsten, das in geringer Höhe schwebt oder an den Segmenten reibt, hilft, diese gegensätzlichen Zeichen zu schließen. Das Ergebnis ist, dass die Ladungen auf beiden Segmenten gleich Null sind, die gesamte Energie wird nach dem Joule-Lenz-Gesetz in Wärme umgewandelt, die auf dem verdickten Kupferdraht erzeugt wird.
Was sind Leidenstöpfe?
Der erste elektrische Kondensator, der von dem niederländischen Wissenschaftler Pieter van Muschenbroek entwickelt wurde, war der Leidener Krug. Der erfundene Kondensator hat die Form eines Zylinders mit einem breiten oder mittelgroßen Hals unterschiedlichen Durchmessers. Das Leidener Gefäß ist aus Glas gefertigt. Er ist innen und außen mit einem speziellen Blech ausgekleidet. Das Produkt ist mit einem Holzdeckel versehen. Die Hauptfunktion der Erfindung besteht darin, große Ladungen zu akkumulieren und zu speichern.
Die Schaffung eines solchen Gefäßes wurde durch eine umfangreiche Studie über Elektrizität, ihre allgemeine Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Materialien angeregt. Es war das erste Mal, dass ein elektrischer Funke künstlich erzeugt werden konnte. Heutzutage werden Leidener Gläser nur noch als integraler Bestandteil von Galvanoplastikmaschinen verwendet.
Wie eine Galvanoplastikmaschine funktioniert
Die Energie für den Wechsel der Marken wird aus der Kraft des Bedieners gewonnen. Bereits zwischen den Equalizern und den Bürsten bewegen sich die Scheiben mit gegenseitiger Abstoßung aufeinander zu. Die Anzahl der Umdrehungen pro Minute spielt dabei eine Rolle. Die Ladungsdichte wird erhöht. Die stärkste Ladung der gegenüberliegenden Scheiben drückt den Rückstand durch die Kupferdrahtabschnitte. Daraus entsteht die Energie, die ausreicht, um das Vorzeichen zu ändern.
Durch die Erhöhung der Oberflächendichte wird die Ladung in der Einheit entfernt. An einem Punkt wird Energie im Leidener Gefäß gespeichert und an einem anderen Punkt wird das Vorzeichen gewechselt. Induktionsneutralisatoren sind praktisch nicht zu unterscheiden. Sie haben beide eine gemeinsame energieneutralisierende Funktion. Allgemeine Schaltungen:
- Es gibt 2 Arten von Kondensatoren: Leydener Gläser, in denen die Ladung gespeichert wird, und eine Kombination aus einem Segment beider Scheiben mit einem Dielektrikum und einem Aluminiumdeckel.
- Die Reduzierung der Ladung der Aluminiumsegmente wird durch 2 Arten von Neutralisatoren erreicht. Die erste wird verwendet, um das Vorzeichen oder die Polarisation zu ändern und die zweite, um das Leidener Glas aufzuladen.
Die gesamte Energie stammt nicht aus der Reibung von Aluminium und Kupfer oder der Elektrifizierung der Luft. Sie wird erzeugt, indem Kondensatoren gezwungen werden, sich mit der Torsionskraft der Scheibe zu füllen. Alle Prozesse werden durch eine drastische Erhöhung der Oberflächenladungsdichte an den Extraktionspunkten durchgeführt.
Anwendungen der Galvanoforming-Maschine
Seit den 1970er Jahren wird die Wimshurst-Maschine nicht mehr zur direkten Gewinnung von elektrischer Energie eingesetzt. Heute dient es als historisches Ausstellungsstück, das die Geschichte und Entwicklung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts und des technischen Denkens veranschaulicht. Eine Labordemonstration einer Galvanoplastikmaschine zeigt die verschiedenen Phänomene und Wirkungen der Elektrizität.
Es ist zulässig, Induktionsneutralisatoren zu verwenden, die Ladungen aus flüssigen Dielektrika wie Öl entfernen. Ein Funken in der Luft ist in jeder Produktionsstätte gefährlich, er kann zu schädlichen Auswirkungen, Rauch und sogar zu einer Explosion führen.
Die Geschichte der Entdeckungen und Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität ist eng mit der Anwendung verschiedener Konstruktionen und Geräte zur Erzeugung elektrischer Ladungen verbunden. Die Galvanoforming-Maschine, deren Wirkungsweise auf der Erregung von Elektrizität durch Induktion beruht, hat ihre Rolle in der wissenschaftlichen Forschung gespielt.
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