Η γεννήτρια Wimshurst ή μηχανή ηλεκτροδιαμόρφωσης είναι μια επαγωγική ηλεκτροστατική συσκευή σχεδιασμένη ως συνεχής πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιείται τον 21ο αιώνα ως βοηθητική τεχνική για την επίδειξη φυσικών πειραμάτων που αφορούν διάφορα ηλεκτρικά φαινόμενα και επιδράσεις.
Περιεχόμενα
Λίγα λόγια για την ιστορία της εφεύρεσης
Το 1865 ένας Γερμανός πειραματικός φυσικός, ο August Thöepler, σχεδίασε τα τελικά σχέδια μιας μηχανής ηλεκτροδιαμόρφωσης. Την ίδια εποχή έγινε μια δεύτερη ανεξάρτητη ανακάλυψη μιας παρόμοιας μηχανής από τον Γερμανό επιστήμονα Wilhelm Holz. Η κύρια διαφορά της συσκευής ήταν η ικανότητά της να παράγει υψηλή ισχύ και διαφορά δυναμικού. Ο Holtz θεωρείται ο δημιουργός της πηγής συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος.
Ο απλός αρχικός σχεδιασμός της μηχανής ηλεκτροδιαμόρφωσης βελτιώθηκε το 1883 από τον James Wimshurst από την Αγγλία. Η τροποποίησή του χρησιμοποιείται σε όλα τα εργαστήρια φυσικής για την οπτική επίδειξη των πειραμάτων.
Η κατασκευή της μηχανής ηλεκτροδιαμόρφωσης
2 ομοαξονικοί δίσκοι περιστρέφονται μεταξύ τους ενώ φέρουν απλούς πυκνωτές αλουμινίου. Λόγω τυχαίων διεργασιών στην πρωτογενή στιγμή, δημιουργείται ένα φορτίο σε ένα τμήμα ενός από τα τμήματα. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από τη διαδικασία της τριβής με τον αέρα. Λόγω της συμμετρίας του σχεδίου, το τελικό πρόσημο δεν μπορεί να προβλεφθεί εκ των προτέρων.
Στην κατασκευή χρησιμοποιούνται δύο βάζα Leiden. Δημιουργούν ένα ενιαίο σύστημα από τους πυκνωτές που είναι συνδεδεμένοι σε σειρά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των απαιτήσεων τάσης λειτουργίας κάθε πυκνωτή κατά δύο φορές. Θα πρέπει να επιλέγονται οι ίδιες ονομαστικές τιμές ως εγγύηση για την ομοιόμορφη κατανομή της τάσης λειτουργίας.
Οι επαγωγικοί εξουδετερωτές είναι σχεδιασμένοι για την ανακούφιση της τάσης. Η όλη κατασκευή μοιάζει με μεταλλική χτένα που αιωρείται σε κάποια απόσταση πάνω από το δίσκο. Και οι δύο δίσκοι με ισοδύναμα σημάδια εξωτερικής επιφάνειας φθάνουν στο σημείο αφαίρεσης του φορτίου. Οι εξουδετερωτές είναι ζευγαρωμένοι. Η φόρτιση των τμημάτων μειώνεται σημαντικά μετά την επίτευξη του σημείου εκφόρτισης. Στα πρόσθετα σχέδια, η βούρτσα έρχεται σε εύκολη επαφή με την άκρη του δίσκου.
Ο χειριστής συγκεντρώνει τα απωθητικά στοιχεία του συστήματος είτε με ηλεκτρική κίνηση είτε με το χέρι του. Τα φορτία που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τείνουν να διασκορπιστούν όσο το δυνατόν περισσότερο. Η διαδικασία ενθαρρύνει την απότομη αύξηση της πυκνότητας επιφανειακού φορτίου σε όλα τα σημεία εξαγωγής.
Η ηλεκτρική ενέργεια συλλέγεται στις τράπεζες Leiden από τις κορυφογραμμές εξουδετέρωσης. Πραγματοποιείται ταχεία αύξηση της τάσης. Ένας αλεξικέραυνο που συνδέεται με τα 2 ηλεκτρόδια βοηθά στην αποφυγή βλάβης του συστήματος. Είναι δυνατόν να προκύψουν τόξα διαφορετικής ισχύος ρυθμίζοντας την απόσταση μεταξύ τους. Υπάρχει μια συσχέτιση: όσο ισχυρότερη είναι η ένταση του πεδίου μεταξύ των 2 εκκενωτών, τόσο πιο θορυβώδες είναι το φαινόμενο που συνοδεύει το άδειασμα των βάζων Leyden.
Τα τμήματα παραμένουν κενά μετά το σημείο αφαίρεσης της φόρτισης. Κατά μήκος της πορείας της κίνησης εγκαθίστανται δυνητικοί εξισορροπητές ή εξουδετερωτές. Κάθε απέναντι πλευρά του δίσκου έχει ήδη δώσει το φορτίο στις διάφορες βούρτσες. Κατά τη στιγμή της διέλευσης του σημείου εξαγωγής και μετά από αυτό, τα υπολειμματικά σημάδια του φορτίου είναι διαφορετικά.
Ένα κομμάτι χοντρό χάλκινο σύρμα με λεπτές συρμάτινες βούρτσες, αιωρούμενο σε χαμηλό ύψος ή τρίβοντας τα τμήματα, βοηθά στο κλείσιμο αυτών των αντίθετων σημείων. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα φορτία και στα δύο τμήματα εξισώνονται με το μηδέν, όλη η ενέργεια μετατρέπεται σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz σε θερμότητα που παράγεται στο παχύ χάλκινο σύρμα.
Τι είναι τα βάζα Leiden
Ο πρώτος ηλεκτρικός πυκνωτής που δημιουργήθηκε από τους Ολλανδούς επιστήμονες Pieter van Muschenbroek ήταν το βάζο Leiden. Ο εφευρεθείς συμπυκνωτής έχει σχήμα κυλίνδρου με ευρύ ή μεσαίου μεγέθους λαιμό ποικίλων διαμέτρων. Το βάζο Leiden είναι κατασκευασμένο από γυαλί. Είναι επενδεδυμένο εσωτερικά και εξωτερικά με ένα ειδικό φύλλο κασσίτερου. Το προϊόν καλύπτεται με ξύλινο καπάκι. Η κύρια λειτουργία της εφεύρεσης είναι η συσσώρευση και αποθήκευση μεγάλων φορτίων.
Η δημιουργία ενός τέτοιου βάζου προήλθε από μια εκτεταμένη μελέτη του ηλεκτρισμού, της γενικής ταχύτητας διάδοσής του και των ιδιοτήτων της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των διαφόρων υλικών. Ήταν η πρώτη φορά που ένας ηλεκτρικός σπινθήρας μπορούσε να παραχθεί τεχνητά. Σήμερα, τα βάζα Leiden χρησιμοποιούνται μόνο ως αναπόσπαστο μέρος των μηχανών ηλεκτροδιαμόρφωσης.
Πώς λειτουργεί μια μηχανή ηλεκτροδιαμόρφωσης
Η ενέργεια για την αλλαγή των σημάτων λαμβάνεται από τη δύναμη του χειριστή. Ήδη μεταξύ των ισοσταθμιστών και των βουρτσών, οι δίσκοι κινούνται με αμοιβαία απώθηση ο ένας προς τον άλλο. Ο αριθμός των στροφών ανά λεπτό παίζει τον ρόλο του. Η πυκνότητα φορτίου αυξάνεται. Το ισχυρότερο φορτίο των αντίθετων δίσκων ωθεί το υπόλειμμα μέσα από τα τμήματα του χάλκινου σύρματος. Από αυτό προέρχεται η ενέργεια, η οποία αρκεί για να αλλάξει το πρόσημο.
Με την αύξηση της επιφανειακής πυκνότητας το φορτίο απομακρύνεται στη μονάδα. Σε ένα μόνο σημείο, η ενέργεια αποθηκεύεται στο βάζο Leiden και ένα άλλο σημείο χρησιμοποιείται για να αλλάξει το πρόσημο. Οι επαγωγικοί εξουδετερωτές είναι πρακτικά δυσδιάκριτοι. Και οι δύο έχουν μια κοινή λειτουργία εξουδετέρωσης της ενέργειας. Γενικό κύκλωμα:
- Υπάρχουν 2 τύποι πυκνωτών στο σχέδιο: οι δίσκοι Leyden όπου αποθηκεύεται το φορτίο και ένας συνδυασμός ενός τμήματος και των δύο δίσκων με ένα διηλεκτρικό και ένα κάλυμμα αλουμινίου.
- Η μείωση του φορτίου των τμημάτων αλουμινίου γίνεται με 2 τύπους εξουδετερωτών. Το πρώτο χρησιμοποιείται για να αλλάξει το πρόσημο ή την πόλωση και το δεύτερο για να φορτίσει το βάζο Leiden.
Όλη η ενέργεια δεν προέρχεται από την τριβή του αλουμινίου και του χαλκού ή την ηλεκτροδότηση του αέρα. Δημιουργείται αναγκάζοντας τους πυκνωτές να γεμίσουν με τη δύναμη στρέψης του δίσκου. Όλες οι διεργασίες πραγματοποιούνται με δραματική αύξηση της πυκνότητας επιφανειακού φορτίου στα σημεία εξαγωγής.
Εφαρμογές της μηχανής ηλεκτροδιαμόρφωσης
Από τη δεκαετία του 1970, η μηχανή Wimshurst δεν χρησιμοποιείται για την άμεση εξαγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σήμερα χρησιμεύει ως ιστορικό έκθεμα, το οποίο απεικονίζει την ιστορία και την εξέλιξη της επιστημονικής και τεχνολογικής προόδου και της μηχανικής σκέψης. Μια εργαστηριακή επίδειξη του σκοπού μιας μηχανής ηλεκτροδιαμόρφωσης δείχνει τα διάφορα φαινόμενα και αποτελέσματα του ηλεκτρισμού.
Είναι αποδεκτή η χρήση εξουδετερωτών επαγωγής, που αφαιρούν τα φορτία από τα υγρά διηλεκτρικά, όπως το λάδι. Είναι επικίνδυνο να υπάρξει σπινθήρας στον αέρα σε οποιαδήποτε εγκατάσταση παραγωγής, μπορεί να οδηγήσει σε βλαβερές συνέπειες, καπνό και ακόμη και έκρηξη.
Η ιστορία της ανακάλυψης και της έρευνας στον τομέα του ηλεκτρισμού είναι στενά συνδεδεμένη με την εφαρμογή διαφόρων σχεδίων και συσκευών για την παραγωγή ηλεκτρικών φορτίων. Η μηχανή ηλεκτροδιαμόρφωσης, η δράση της οποίας βασίζεται στη διέγερση του ηλεκτρισμού μέσω επαγωγής, έπαιξε το ρόλο της στην επιστημονική έρευνα.
Σχετικά άρθρα:
