A Wimshurst-generátor vagy elektroformázó gép egy induktív elektrosztatikus készülék, amelyet folyamatos elektromos energiaforrásként terveztek. A 21. században segédtechnikaként használják a különböző elektromos hatásokat és jelenségeket érintő fizikai kísérletek bemutatására.
Tartalomjegyzék
A találmány története
1865-ben egy német kísérleti fizikus, August Thöepler elkészítette egy elektroformázó gép végleges rajzát. Ugyanebben az időben Wilhelm Holz német tudós egy második független felfedezést tett egy hasonló gépről. A készülék fő különbsége a nagy teljesítmény és potenciálkülönbség előállításának képessége volt. Holtzot tekintik az egyenáramú áramforrás megalkotójának.
Az elektroformázó gép kezdeti egyszerű kialakítását 1883-ban az angol James Wimshurst fejlesztette tovább. Módosítását minden fizikai laboratóriumban használják a kísérletek vizuális demonstrációjára.
Az elektroformázó gép felépítése
Két koaxiális korong forog egymás ellen, miközben egyszerű alumínium szektor kondenzátorokat hordoznak. Az elsődleges pillanatban véletlenszerű folyamatok miatt az egyik szegmens valamelyik szegmensén töltés keletkezik. Ezt a jelenséget a levegővel szembeni súrlódási folyamat okozza. A minta szimmetriája miatt a végső előjelet nem lehet előre megjósolni.
Az építéshez két Leiden-edényt használnak. A sorba kapcsolt kondenzátorokból egyetlen rendszert hoznak létre. Ez befolyásolja az egyes kondenzátorok működési feszültségigényének kétszeres csökkenését. Az üzemi feszültség egyenletes eloszlásának biztosítása érdekében azonos névleges értékeket kell választani.
Az induktív semlegesítők a feszültség levezetésére szolgálnak. Az egész szerkezet egy fémfésűhöz hasonlít, amely valamivel a korong felett lebeg. Mindkét korong azonos külső felületi jelekkel érkezik a töltés eltávolításának pontjára. A semlegesítők párosítva vannak. A szegmensek töltése a kisülési pont megvalósulása után jelentősen csökken. A további kivitelekben a kefe könnyen érintkezik a tárcsa szélével.
A kezelő a rendszer taszító elemeit elektromos meghajtással vagy saját kezével kényszeríti össze. A kölcsönhatásba lépő töltések megpróbálnak minél távolabb kerülni egymástól. A folyamat a felületi töltéssűrűség erőteljes növekedését ösztönzi minden kivonási ponton.
Az áramot a Leiden-bankokban gyűjtik a semlegesítő gerincekről. A feszültség gyors emelkedése következik be. A rendszer meghibásodását a 2 elektródához csatlakoztatott levezető segít elkerülni. A köztük lévő távolság beállításával különböző erősségű íveket kaphatunk. Van egy összefüggés: minél erősebb a térerősség a 2 kisütő között, annál zajosabb a Leyden-üvegek kiürülését kísérő hatás.
A szegmensek a töltés eltávolítása után is üresek maradnak. A potenciális kiegyenlítőket vagy semlegesítőket a mozdulat mentén telepítik. A lemez minden szemben lévő oldala már leadta a töltést a különböző keféknél. Az elszívási ponton való áthaladás pillanatában és azt követően a töltés maradék jelei eltérőek.
Egy darab vastag rézdrót finom drótkefékkel, alacsonyan lebegtetve vagy a szegmenseket dörzsölve segít lezárni ezeket az ellentétes jeleket. Az eredmény az, hogy a két szegmens töltése nulla, az összes energia a Joule-Lenz-törvény szerint a megvastagított rézhuzalban keletkező hőre alakul át.
Mik a leideni üvegek
Az első elektromos kondenzátort Pieter van Muschenbroek holland tudósok alkották meg, a leideni üveget. A feltalált kondenzátor henger alakú, széles vagy közepes méretű, különböző átmérőjű nyakkal. A leideni edény üvegből készült. Kívül-belül speciális bádoglemezzel van kibélelve. A terméket fából készült fedéllel fedik le. A találmány fő funkciója a nagy töltések felhalmozása és tárolása.
Egy ilyen edény létrehozását az elektromosság, annak általános terjedési sebessége és a különböző anyagok elektromos vezetőképességének tulajdonságai kiterjedt tanulmányozása ösztönözte. Ez volt az első alkalom, hogy mesterségesen elektromos szikrát lehetett előállítani. A Leiden-tégelyeket manapság már csak elektroformázó gépek szerves részeként használják.
Hogyan működik egy elektroformázó gép
A jelek megváltoztatásához szükséges energiát a kezelő erejéből vesszük. Már a kiegyenlítők és a kefék között a lemezek kölcsönös taszítással mozognak egymás felé. A percenkénti fordulatszám is szerepet játszik. A töltéssűrűség megnő. Az ellentétes irányú korongok legerősebb töltése a rézdrót szakaszokon átnyomja a maradékot. Ebből származik az energia, amely elegendő az előjel megváltoztatásához.
A felületi sűrűség növelésével a töltés eltávolításra kerül az egységben. Egyetlen ponton az energia a Leiden-üvegben tárolódik, egy másik ponton pedig az előjelet változtatjuk meg. Az indukciós semlegesítők gyakorlatilag megkülönböztethetetlenek. Mindkettőnek közös energiasemlegesítő funkciója van. Általános áramkör:
- A konstrukcióban 2féle kondenzátor létezik: Leyden-üvegek, amelyekben a töltést tárolják, és mindkét lemez egy-egy szegmensének kombinációja dielektrikummal és alumínium borítással.
- Az alumínium szegmensek töltésének csökkentését 2 típusú semlegesítővel oldják meg. Az elsőt az előjel vagy a polarizáció megváltoztatására, a másodikat pedig a Leiden-üveg feltöltésére használják.
Az összes energia nem az alumínium és a réz súrlódásából vagy a levegő villamosításából származik. Úgy jön létre, hogy a kondenzátorokat a tárcsa torziós ereje tölti ki. Minden folyamatot a felületi töltéssűrűség drasztikus növelésével hajtanak végre a kivonási pontokon.
Az elektroformázó gép alkalmazásai
Az 1970-es évek óta a Wimshurst-gépet nem használják közvetlen elektromos energia kinyerésére. Ma történelmi kiállításként szolgál, amely a tudományos és technológiai fejlődés és a mérnöki gondolkodás történetét és fejlődését mutatja be. Az elektromosság különböző jelenségeit és hatásait mutatja be egy laboratóriumi bemutató, amelynek célja az elektroformázó gép.
Elfogadható az indukciós semlegesítők használata, amelyek eltávolítják a töltéseket a folyékony dielektrikumokból, például az olajból. Veszélyes, ha a levegőben szikra keletkezik bármelyik gyártóüzemben, ez káros hatásokhoz, füsthöz és akár robbanáshoz is vezethet.
Az elektromosság felfedezésének és kutatásának története szorosan kapcsolódik az elektromos töltések előállítására szolgáló különböző konstrukciók és eszközök alkalmazásához. Az elektroformázó gép, amelynek működése az elektromosság indukciós gerjesztésén alapul, szerepet játszott a tudományos kutatásban.
Kapcsolódó cikkek:
