De Wimshurst Generator of elektrovormmachine is een inductief elektrostatisch apparaat dat is ontworpen als een continue bron van elektrische energie. Wordt in de 21e eeuw gebruikt als hulptechniek bij het demonstreren van natuurkundige experimenten met diverse elektrische effecten en verschijnselen.
Inhoud
Een beetje van de geschiedenis van de uitvinding
In 1865 maakte de Duitse experimenteel natuurkundige August Thöepler de laatste tekeningen van een elektrovormmachine. In dezelfde tijd werd een tweede onafhankelijke ontdekking van een soortgelijke machine gedaan door de Duitse wetenschapper Wilhelm Holz. Het belangrijkste verschil van het apparaat was zijn vermogen om een hoog vermogen en een groot potentiaalverschil te produceren. Holtz wordt beschouwd als de schepper van de directe elektrische stroombron.
Het eenvoudige oorspronkelijke ontwerp van de elektrovormmachine werd in 1883 verbeterd door James Wimshurst uit Engeland. De modificatie ervan wordt in alle natuurkundelaboratoria gebruikt voor visuele demonstratie van experimenten.
De bouw van de elektrovormmachine
Twee co-axiale schijven roteren tegen elkaar terwijl ze eenvoudige aluminium sectorcondensatoren dragen. Als gevolg van willekeurige processen in het primaire moment wordt een lading gegenereerd op een segment van een van de segmenten. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt door het proces van wrijving tegen de lucht. Door de symmetrie van het ontwerp kan het uiteindelijke teken niet van tevoren worden voorspeld.
Bij de constructie zijn twee Leidse kruiken gebruikt. Zij vormen één enkel systeem uit de in serie geschakelde condensatoren. Dit beïnvloedt de dubbele vermindering van de benodigde bedrijfsspanning van elke condensator. Dezelfde nominale waarden moeten worden gekozen als garantie voor een gelijkmatige verdeling van de bedrijfsspanning.
De inductieve neutralisatoren zijn ontworpen om de spanning af te voeren. De hele constructie lijkt op een metalen kam die op enige afstand boven de schijf zweeft. Beide schijven met gelijkwaardige buitenoppervlaktekens komen aan op het punt waar de lading wordt verwijderd. De neutralisatoren zijn gekoppeld. De lading van de segmenten wordt sterk verminderd nadat het ontladingspunt is gerealiseerd. In de extra uitvoeringen komt de borstel gemakkelijk in contact met de rand van de schijf.
De bediener dwingt de afstotende elementen van het systeem samen, hetzij door middel van een elektrische aandrijving, hetzij met zijn of haar eigen hand. De ladingen die op elkaar inwerken hebben de neiging zich zo ver mogelijk uit te spreiden. Het proces bevordert een sterke toename van de oppervlakteladingsdichtheid op alle extractiepunten.
In de Leidse banken wordt elektriciteit opgevangen uit de neutralisatieregels. Een snelle stijging van de spanning vindt plaats. Een op de 2 elektroden aangebrachte stroomonderbreker helpt uitvallen van het systeem te voorkomen. Het is mogelijk bogen van verschillende sterkte te verkrijgen door de afstand tussen de bogen aan te passen. Er is een correlatie: hoe sterker de veldsterkte tussen de 2 ontladers, hoe luidruchtiger het effect dat gepaard gaat met het legen van de Leyden-potten.
De segmenten blijven leeg na het punt waar de lading wordt verwijderd. Potentiaalvereffenaars of neutralisatoren worden langs de loop van de beweging geïnstalleerd. Elke tegenoverliggende kant van de schijf heeft de lading al afgestaan aan de verschillende borstels. Op het moment van het passeren van het extractiepunt en daarna zijn de restverschijnselen van de lading verschillend.
Een stuk dik koperdraad met fijne draadborstels, dat op geringe hoogte zweeft of over de segmenten wrijft, helpt om deze tegengestelde tekens te sluiten. Het resultaat is dat de ladingen op beide segmenten gelijk zijn aan nul, alle energie wordt volgens de wet Joule-Lenz omgezet in de warmte die wordt opgewekt op de verdikte koperdraad.
Wat zijn Leidse kruiken
De eerste elektrische condensator die door de Nederlandse wetenschapper Pieter van Muschenbroek werd ontworpen, was de Leidse pot. De uitgevonden condensor heeft de vorm van een cilinder met een brede of middelgrote hals met verschillende diameters. De Leidse pot is gemaakt van glas. Het is van binnen en van buiten bekleed met een speciaal vel blik. Het product is afgedekt met een houten deksel. De belangrijkste functie van de uitvinding is het accumuleren en opslaan van grote ladingen.
De creatie van een dergelijke pot werd gestimuleerd door een uitgebreide studie van elektriciteit, de algemene voortplantingssnelheid ervan en de eigenschappen van het elektriciteitsgeleidingsvermogen van verschillende materialen. Het was de eerste keer dat een elektrische vonk kunstmatig kon worden geproduceerd. Tegenwoordig worden Leidse potten alleen nog gebruikt als integraal onderdeel van elektrovormmachines.
Hoe werkt een electroforming machine
De energie voor het verwisselen van de merktekens wordt onttrokken aan de kracht van de bediener. Reeds tussen de equalizers en de borstels bewegen de schijven met wederzijdse afstoting naar elkaar toe. Het aantal omwentelingen per minuut speelt een rol. De ladingsdichtheid wordt verhoogd. De sterkste lading van de tegengestelde schijven duwt het residu door de koperdraadsecties. Hieruit komt de energie, voldoende om het teken te veranderen.
Door de oppervlaktedichtheid te verhogen wordt de lading in de eenheid verwijderd. Op één punt wordt energie opgeslagen in de Leidse pot en op een ander punt wordt het teken veranderd. Inductie neutralisatoren zijn vrijwel niet te onderscheiden. Ze hebben beide een gemeenschappelijke energie neutraliserende functie. Algemeen circuit:
- Er zijn 2 soorten condensatoren in constructie: Leydense potten waarin de lading wordt opgeslagen, en een combinatie van een segment van beide schijven met een diëlektricum en een aluminium omhulsel.
- Het verminderen van de lading van de aluminiumsegmenten gebeurt door 2 soorten neutralisatoren. De eerste wordt gebruikt om het teken of de polarisatie te veranderen en de tweede om de Leidse pot op te laden.
Alle energie komt niet van wrijving van het aluminium en koper of elektrificatie van de lucht. Het wordt gecreëerd door condensatoren te dwingen zich te vullen met de torsiekracht van de schijf. Alle processen worden uitgevoerd door de oppervlakteladingsdichtheid op de extractiepunten drastisch te verhogen.
Toepassingen van de elektrovormmachine
Sinds de jaren zeventig wordt de Wimshurst-machine niet meer gebruikt voor de directe winning van elektrische energie. Vandaag doet het dienst als een historische tentoonstelling, die de geschiedenis en de ontwikkeling van de wetenschappelijke en technologische vooruitgang en het denken in techniek illustreert. Een laboratoriumdemonstratie van een elektrovormingsmachine toont de verschillende verschijnselen en effecten van elektriciteit.
Het gebruik van inductie-neutralisatoren, die ladingen verwijderen uit vloeibare diëlektrica zoals olie, is aanvaardbaar. Het is gevaarlijk om een vonk in de lucht te krijgen in een productie-eenheid, het kan leiden tot nadelige gevolgen, rook en zelfs een explosie.
De geschiedenis van de ontdekking en het onderzoek op het gebied van elektriciteit is nauw verbonden met de toepassing van verschillende ontwerpen en apparaten voor het opwekken van elektrische ladingen. De elektrovormingsmachine, waarvan de werking berust op de opwekking van elektriciteit door inductie, heeft haar rol gespeeld in het wetenschappelijk onderzoek.
Verwante artikelen:
