Il generatore di Wimshurst o macchina elettroformatrice è un dispositivo elettrostatico induttivo progettato come fonte continua di energia elettrica. Usato nel XXI secolo come tecnica ausiliaria per dimostrare esperimenti fisici che coinvolgono vari effetti e fenomeni elettrici.
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Un po' di storia dell'invenzione
Nel 1865 un fisico sperimentale tedesco, August Thöepler, fece i disegni finali di una macchina per l'elettroformazione. Allo stesso tempo una seconda scoperta indipendente di una macchina simile fu fatta dallo scienziato tedesco Wilhelm Holz. La differenza principale del dispositivo era la sua capacità di produrre alta potenza e differenza di potenziale. Holtz è considerato il creatore della sorgente di corrente elettrica diretta.
Il semplice design iniziale della macchina elettroformatrice fu migliorato nel 1883 da James Wimshurst dall'Inghilterra. La sua modifica è usata in tutti i laboratori di fisica per la dimostrazione visiva degli esperimenti.
La costruzione della macchina elettroformatrice
Due dischi coassiali ruotano l'uno contro l'altro mentre portano dei semplici condensatori a settori in alluminio. A causa di processi casuali nel momento primario, si genera una carica su un segmento di uno dei segmenti. Questo fenomeno è causato dal processo di attrito contro l'aria. A causa della simmetria del disegno, il segno finale non può essere previsto in anticipo.
Due vasi di Leida sono utilizzati nella costruzione. Creano un sistema unico dai condensatori collegati in serie. Questo ha l'effetto di ridurre i requisiti di tensione di funzionamento di ogni condensatore di un fattore due. Gli stessi valori nominali dovrebbero essere scelti come garanzia di una distribuzione uniforme della tensione di funzionamento.
I neutralizzatori induttivi sono progettati per scaricare la tensione. L'intera costruzione assomiglia a un pettine di metallo che si libra a una certa distanza sopra il disco. Entrambi i dischi con segni di superficie esterna equivalenti arrivano al punto di rimozione della carica. I neutralizzatori sono accoppiati. La carica dei segmenti si riduce notevolmente dopo la realizzazione del punto di scarico. Nei disegni aggiuntivi, la spazzola è in facile contatto con il bordo del disco.
L'operatore forza gli elementi repulsivi del sistema insieme per mezzo di un azionamento elettrico o della propria mano. Le cariche che interagiscono tra loro tendono a diffondersi il più possibile. Il processo favorisce un forte aumento della densità di carica superficiale in tutti i punti di estrazione.
L'elettricità è raccolta nelle banche di Leiden dalle creste di neutralizzazione. Si verifica un rapido aumento della tensione. Uno scaricatore attaccato ai 2 elettrodi aiuta ad evitare il fallimento del sistema. È possibile ottenere archi di forza diversa regolando la distanza tra loro. C'è una correlazione: più forte è l'intensità del campo tra i 2 scaricatori, più rumoroso è l'effetto che accompagna lo svuotamento delle giare di Leyda.
I segmenti rimangono svuotati dopo il punto di rimozione della carica. Lungo il percorso del movimento vengono installati dei potenziali equalizzatori o neutralizzatori. Ogni lato opposto del disco ha già ceduto la carica alle varie spazzole. Al momento di passare il punto di estrazione e dopo, i segni residui della carica sono diversi.
Un pezzo di filo di rame spesso con spazzole di filo sottile, librandosi a bassa altezza o strofinando i segmenti, aiuta a chiudere questi segni opposti. Il risultato è che le cariche su entrambi i segmenti sono uguali a zero, tutta l'energia viene convertita secondo la legge di Joule-Lenz nel calore generato sul filo di rame ispessito.
Cosa sono i vasi di Leida
Il primo condensatore elettrico creato dallo scienziato olandese Pieter van Muschenbroek fu la giara di Leida. Il condensatore inventato ha la forma di un cilindro con un collo largo o medio di vari diametri. Il vaso di Leida è fatto di vetro. È foderato all'interno e all'esterno con un foglio speciale di latta. Il prodotto è coperto da un coperchio di legno. La funzione principale dell'invenzione è quella di accumulare e conservare grandi cariche.
La creazione di tale vaso fu stimolata da un ampio studio dell'elettricità, della sua velocità generale di propagazione e delle proprietà di conducibilità dell'elettricità di vari materiali. Era la prima volta che una scintilla elettrica poteva essere prodotta artificialmente. Al giorno d'oggi, i vasi di Leida sono utilizzati solo come parte integrante delle macchine per elettroformatura.
Come funziona una macchina elettroformatrice
L'energia per il cambio dei segni è presa dalla potenza dell'operatore. Già tra gli equalizzatori e le spazzole, i dischi si muovono con reciproca repulsione l'uno verso l'altro. Il numero di giri al minuto fa la sua parte. La densità di carica è aumentata. La carica più forte dei dischi opposti spinge il residuo attraverso le sezioni di filo di rame. Da questo proviene l'energia, sufficiente per cambiare il segno.
Aumentando la densità della superficie, la carica viene rimossa nell'unità. In un singolo punto, l'energia viene immagazzinata nella giara di Leida e un altro punto viene utilizzato per cambiare il segno. I neutralizzatori a induzione sono praticamente indistinguibili. Entrambi hanno una funzione comune di neutralizzazione dell'energia. Circuito generale:
- Ci sono 2 tipi di condensatori nel progetto: i vasi di Leyda dove la carica è immagazzinata, e una combinazione di un segmento di entrambi i dischi con un dielettrico e una copertura di alluminio.
- La riduzione della carica dei segmenti di alluminio è gestita da 2 tipi di neutralizzatori. Il primo è usato per cambiare il segno o la polarizzazione, il secondo per caricare il vaso di Leida.
Tutta l'energia non proviene dall'attrito dell'alluminio e del rame o dall'elettrificazione dell'aria. Si crea forzando i condensatori a riempirsi con la forza di torsione del disco. Tutti i processi vengono eseguiti aumentando drasticamente la densità di carica superficiale nei punti di estrazione.
Applicazioni della macchina elettroformatrice
Dagli anni '70, la macchina di Wimshurst non viene più utilizzata per l'estrazione diretta di energia elettrica. Oggi serve come mostra storica, illustrando la storia e lo sviluppo del progresso scientifico e tecnologico e del pensiero ingegneristico. Una dimostrazione di laboratorio di ciò per cui è fatta una macchina per l'elettroformazione mostra i vari fenomeni ed effetti dell'elettricità.
È accettabile l'uso di neutralizzatori a induzione, che rimuovono le cariche dai dielettrici liquidi come l'olio. È pericoloso far scoccare una scintilla nell'aria in qualsiasi impianto di produzione, può portare a effetti dannosi, fumo e persino un'esplosione.
La storia della scoperta e della ricerca nel campo dell'elettricità è strettamente legata all'applicazione di vari disegni e dispositivi per produrre cariche elettriche. La macchina elettroformatrice, la cui azione si basa sull'eccitazione dell'elettricità per induzione, ha fatto la sua parte nella ricerca scientifica.
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