Le générateur de Wimshurst ou machine à électroformer est un dispositif électrostatique inductif conçu comme une source continue d'énergie électrique. Utilisé au 21e siècle comme technique auxiliaire pour démontrer des expériences physiques impliquant divers effets et phénomènes électriques.
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Un peu d'histoire de l'invention
En 1865, un physicien expérimental allemand, August Thöepler, a réalisé les derniers dessins d'une machine à électroformer. Au même moment, une deuxième découverte indépendante d'une machine similaire a été faite par le scientifique allemand Wilhelm Holz. La principale différence de l'appareil était sa capacité à produire une puissance et une différence de potentiel élevées. Holtz est considéré comme le créateur de la source de courant électrique direct.
La conception initiale simple de l'appareil d'électroformage a été améliorée en 1883 par l'Anglais James Wimshurst. Sa modification est utilisée dans tous les laboratoires de physique pour la démonstration visuelle des expériences.
La construction de la machine d'électroformage
Deux disques coaxiaux tournent l'un contre l'autre en portant de simples condensateurs à secteurs en aluminium. En raison de processus aléatoires dans le moment primaire, une charge est générée sur un segment de l'un des segments. Ce phénomène est causé par le processus de friction contre l'air. En raison de la symétrie du dessin, le signe final ne peut être prédit à l'avance.
Deux jarres de Leyde sont utilisées dans la construction. Ils créent un système unique à partir des condensateurs connectés en série. Cela a une incidence sur la double réduction des exigences de tension de fonctionnement de chaque condensateur. Il convient de choisir des valeurs nominales identiques afin de garantir une répartition uniforme de la tension de fonctionnement.
Les neutralisateurs inductifs sont conçus pour soulager la tension. L'ensemble de la construction ressemble à un peigne métallique planant à une certaine distance au-dessus du disque. Les deux disques, avec des signes de surface extérieure équivalents, arrivent au point d'enlèvement de la charge. Les neutralisateurs sont appariés. La charge des segments est fortement réduite après la réalisation du point de décharge. Dans les modèles supplémentaires, la brosse est en contact facile avec le bord du disque.
L'opérateur rapproche les éléments répulsifs du système à l'aide d'une commande électrique ou de sa propre main. Les charges qui interagissent entre elles ont tendance à s'étaler le plus possible. Le processus favorise une forte augmentation de la densité des charges de surface à tous les points d'extraction.
L'électricité est collectée dans les bancs de Leiden à partir des crêtes de neutralisation. Une augmentation rapide de la tension a lieu. Un parafoudre fixé aux 2 électrodes permet d'éviter la défaillance du système. Il est possible d'obtenir des arcs de forces différentes en ajustant la distance entre eux. Il y a une corrélation : plus le champ est fort entre les 2 déchargeurs, plus l'effet accompagnant la vidange des bocaux de Leyde est bruyant.
Les segments restent vidés après le point de retrait de la charge. Des égalisateurs ou neutralisateurs potentiels sont installés le long du parcours du mouvement. Chaque face opposée du disque a déjà cédé la charge aux différentes brosses. Au moment du passage du point d'extraction et après celui-ci, les signes résiduels de la charge sont différents.
Un morceau de fil de cuivre épais avec de fines brosses métalliques, planant à faible hauteur ou frottant les segments, aide à fermer ces signes opposés. Le résultat est que les charges des deux segments sont égales à zéro, toute l'énergie est convertie selon la loi de Joule-Lenz en chaleur générée sur le fil de cuivre épais.
Que sont les jarres de Leyde
Le premier condensateur électrique créé par le scientifique néerlandais Pieter van Muschenbroek était la jarre de Leyde. Le condenseur inventé a la forme d'un cylindre avec un col large ou moyen de différents diamètres. La jarre de Leyde est en verre. Elle est doublée à l'intérieur et à l'extérieur d'une feuille d'étain spéciale. Le produit est recouvert d'un couvercle en bois. La principale fonction de l'invention est d'accumuler et de stocker des charges importantes.
La création d'une telle jarre a été stimulée par une étude approfondie de l'électricité, de sa vitesse générale de propagation et des propriétés de conductivité électrique de divers matériaux. C'était la première fois qu'une étincelle électrique pouvait être produite artificiellement. Aujourd'hui, les pots de Leyde ne sont plus utilisés que comme partie intégrante des machines d'électroformage.
Comment fonctionne une machine d'électroformage
L'énergie pour le changement de marque est prise sur la puissance de l'opérateur. Déjà entre les égaliseurs et les brosses, les disques se déplacent avec une répulsion mutuelle les uns vers les autres. Le nombre de tours par minute joue un rôle. La densité de charge est augmentée. La charge la plus forte des disques opposés pousse le résidu à travers les sections de fil de cuivre. De là vient l'énergie, suffisante pour changer le signe.
En augmentant la densité de surface, la charge est éliminée dans l'unité. En un seul point, l'énergie est stockée dans la jarre de Leiden et un autre point est utilisé pour changer le signe. Les neutralisateurs à induction sont pratiquement indiscernables. Ils ont tous deux une fonction commune de neutralisation de l'énergie. Circuit général :
- Il existe 2 types de condensateurs : les jarres de Leyden où la charge est stockée, et une combinaison d'un segment des deux disques avec un diélectrique et un couvercle en aluminium.
- La réduction de la charge des segments d'aluminium est assurée par 2 types de neutralisants. Le premier est utilisé pour changer le signe ou la polarisation et le second pour charger la jarre de Leiden.
Toute l'énergie ne provient pas du frottement de l'aluminium et du cuivre ou de l'électrification de l'air. Il est créé en forçant les condensateurs à se remplir de la force de torsion du disque. Tous les processus sont réalisés en augmentant considérablement la densité de charge de surface aux points d'extraction.
Applications de la machine d'électroformage
Depuis les années 1970, la machine de Wimshurst n'est plus utilisée pour l'extraction directe d'énergie électrique. Aujourd'hui, il sert d'exposition historique, illustrant l'histoire et le développement du progrès scientifique et technologique et de la pensée de l'ingénierie. Une démonstration en laboratoire de la fonction d'une machine à électroformer montre les différents phénomènes et effets de l'électricité.
Il est acceptable d'utiliser des neutralisateurs d'induction, qui éliminent les charges des diélectriques liquides tels que l'huile. Il est dangereux de provoquer une étincelle dans l'air dans n'importe quelle installation de production, cela peut entraîner des effets néfastes, de la fumée et même une explosion.
L'histoire de la découverte et de la recherche dans le domaine de l'électricité est étroitement liée à l'utilisation de divers modèles et dispositifs pour produire des charges électriques. La machine à électroformer, dont l'action est basée sur l'excitation de l'électricité par induction, a joué son rôle dans la recherche scientifique.
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