Wimshurst-generaattori tai sähkömuovauskone on induktiivinen sähköstaattinen laite, joka on suunniteltu jatkuvaksi sähköenergian lähteeksi. Käytetään 2000-luvulla aputekniikkana fysikaalisten kokeiden havainnollistamisessa, joihin liittyy erilaisia sähkövaikutuksia ja -ilmiöitä.
Sisältö
Keksinnön historiaa
Vuonna 1865 saksalainen kokeellinen fyysikko August Thöepler piirsi lopulliset piirustukset sähkömuovauskoneesta. Samaan aikaan saksalainen tiedemies Wilhelm Holz teki toisen riippumattoman löydön samanlaisesta laitteesta. Laitteen tärkein ero oli sen kyky tuottaa suurta tehoa ja potentiaalieroa. Holtzia pidetään suoran sähkövirtalähteen luojana.
Englantilainen James Wimshurst paransi sähkömuovauskoneen yksinkertaista alkuperäistä mallia vuonna 1883. Sen muunnosta käytetään kaikissa fysiikan laboratorioissa kokeiden visuaaliseen havainnollistamiseen.
Sähkömuovauskoneen rakenne
Kaksi koaksiaalista levyä pyörii toisiaan vasten, ja niissä on yksinkertaisia alumiinisektorikondensaattoreita. Ensisijaisen hetken satunnaisprosessien vuoksi yhden segmentin segmenttiin syntyy varaus. Tämä ilmiö johtuu kitkasta ilmaa vasten. Suunnitelman symmetrisyyden vuoksi lopullista merkkiä ei voida ennustaa etukäteen.
Rakennuksessa käytetään kahta Leidenin purkkia. Ne muodostavat yhden järjestelmän sarjaan kytketyistä kondensaattoreista. Tämä vähentää kunkin kondensaattorin käyttöjännitevaatimuksia kaksinkertaisesti. Käyttöjännitteen tasaisen jakautumisen takaamiseksi olisi valittava samat nimellisarvot.
Induktiiviset neutralisaattorit on suunniteltu purkamaan jännitettä. Koko rakenne muistuttaa metallikampaa, joka leijuu jonkin verran levyn yläpuolella. Molemmat levyt, joilla on vastaavat ulkopinnan merkit, saapuvat varauksen poistopisteeseen. Neutraloijat ovat pareittain. Segmenttien varaus vähenee huomattavasti sen jälkeen, kun purkauspiste on saavutettu. Lisämalleissa harja on helposti kosketuksissa levyn reunaan.
Käyttäjä pakottaa järjestelmän hylkivät elementit yhteen joko sähkökäyttöisellä voimansiirrolla tai omalla kädellään. Vuorovaikutuksessa olevat varaukset pyrkivät siirtymään mahdollisimman kauas toisistaan. Prosessi kannustaa pinnan varaustiheyden jyrkkään kasvuun kaikissa uuttopisteissä.
Sähköä kerätään Leidenin pankkeihin neutraloivista harjuista. Jännite nousee nopeasti. Kahteen elektrodiin kiinnitetty suojus auttaa välttämään järjestelmän vikaantumisen. Eri vahvuisia kaaria on mahdollista saada aikaan säätämällä niiden välistä etäisyyttä. On olemassa korrelaatio: mitä voimakkaampi kentänvoimakkuus on kahden purkaimen välillä, sitä meluisampi vaikutus liittyy Leydenin purkkien tyhjenemiseen.
Segmentit pysyvät tyhjinä latauksen poistokohdan jälkeen. Mahdolliset tasaajat tai neutralisaattorit asennetaan liikkeen varrelle. Levyn jokainen vastakkainen puoli on jo luovuttanut varauksen eri harjoissa. Varauksen jäännösmerkit ovat erilaiset silloin, kun se ohittaa uuttamispisteen, ja sen jälkeen.
Paksu kuparilanka, jossa on hienoja lankaharjoja ja joka leijuu matalalla tai hankaa segmenttejä, auttaa sulkemaan nämä vastakkaiset merkit. Tuloksena on, että molempien segmenttien varaukset ovat nollassa, ja kaikki energia muuttuu Joulen-Lenzin lain mukaisesti paksunnetun kuparilangan tuottamaksi lämmöksi.
Mitä ovat Leidenin purkit
Hollantilaisen tiedemiehen Pieter van Muschenbroekin luoma ensimmäinen sähkökondensaattori oli Leidenin purkki. Keksitty lauhdutin on muodoltaan sylinterin muotoinen, ja siinä on leveä tai keskikokoinen kaula, jonka halkaisija vaihtelee. Leidenin purkki on valmistettu lasista. Se on vuorattu sisältä ja ulkoa erityisellä peltisellä levyllä. Tuote on peitetty puukannella. Keksinnön päätehtävänä on kerätä ja varastoida suuria varauksia.
Tällaisen purkin luomista vauhditti laaja tutkimus sähköstä, sen yleisestä etenemisnopeudesta ja eri materiaalien sähkönjohtavuuden ominaisuuksista. Se oli ensimmäinen kerta, kun sähköinen kipinä voitiin tuottaa keinotekoisesti. Leidenin purkkia käytetään nykyään vain sähkömuovauskoneiden kiinteänä osana.
Miten sähkömuovauskone toimii
Merkkien vaihtamiseen tarvittava energia otetaan käyttäjän voimasta. Levyt liikkuvat toisiaan vasten jo tasaimien ja harjojen välissä. Minuutin kierrosluvulla on oma osuutensa. Varaustiheys kasvaa. Vastakkaisten levyjen voimakkain varaus työntää jäännöksen kuparilangan osien läpi. Tästä tulee energiaa, joka riittää merkin muuttamiseen.
Pintatiheyttä lisäämällä varaus poistuu yksikössä. Yhdessä pisteessä energiaa varastoidaan Leidenin purkkiin, ja toisessa pisteessä vaihdetaan merkkiä. Induktioneutraloijat ovat käytännössä erottamattomia. Niillä molemmilla on yhteinen energiaa neutraloiva tehtävä. Yleiset piirit:
- Suunnittelussa on kahdenlaisia kondensaattoreita: Leydenin purkit, joihin varaus varastoidaan, ja molempien levyjen segmentin yhdistelmä, jossa on dielektrinen ja alumiininen kansi.
- Alumiinisegmenttien varauksen vähentäminen tapahtuu kahdenlaisilla neutraloijilla. Ensimmäistä käytetään muuttamaan merkkiä tai polarisaatiota ja toista lataamaan Leidenin purkkia.
Kaikki energia ei tule alumiinin ja kuparin kitkasta tai ilman sähköistymisestä. Se syntyy pakottamalla kondensaattorit täyttymään levyn vääntövoimalla. Kaikki prosessit suoritetaan lisäämällä pinnan varaustiheyttä dramaattisesti uuttopisteissä.
Sähkömuovauskoneen sovellukset
Wimshurstin konetta ei ole 1970-luvulta lähtien käytetty suoraan sähköenergian talteenottoon. Nykyään se toimii historiallisena näyttelynä, joka havainnollistaa tieteellisen ja teknisen edistyksen sekä insinööritieteellisen ajattelun historiaa ja kehitystä. Laboratorioesittelyssä, jossa esitellään, mihin sähkömuovauskone on tarkoitettu, esitellään sähkön eri ilmiöitä ja vaikutuksia.
On hyväksyttävää käyttää induktioneutralisaattoreita, jotka poistavat varauksia nestemäisistä dielektrisistä aineista, kuten öljystä. On vaarallista saada kipinä ilmaan missä tahansa tuotantolaitoksessa, sillä se voi aiheuttaa haitallisia vaikutuksia, savua ja jopa räjähdyksen.
Sähkön löytämisen ja tutkimuksen historia liittyy läheisesti erilaisten sähkövarausten tuottamiseen tarkoitettujen mallien ja laitteiden käyttöön. Sähkömuovauskoneella, jonka toiminta perustuu induktion avulla tapahtuvaan sähkön herättämiseen, on ollut oma osansa tieteellisessä tutkimuksessa.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
