Generator Wimshursta lub maszyna do galwanizacji to indukcyjne urządzenie elektrostatyczne zaprojektowane jako stałe źródło energii elektrycznej. Wykorzystywana w XXI wieku jako technika pomocnicza do demonstracji eksperymentów fizycznych obejmujących różne efekty i zjawiska elektryczne.
Spis treści
Trochę historii wynalazku
W 1865 r. niemiecki fizyk doświadczalny August Thöepler wykonał ostateczne rysunki maszyny do formowania elektrotechnicznego. W tym samym czasie niemiecki naukowiec Wilhelm Holz dokonał drugiego, niezależnego odkrycia podobnej maszyny. Główną cechą tego urządzenia była zdolność do wytwarzania dużej mocy i różnicy potencjałów. Holtz jest uważany za twórcę źródła stałego prądu elektrycznego.
Prosta, początkowa konstrukcja maszyny do elektroformowania została udoskonalona w 1883 r. przez Jamesa Wimshursta z Anglii. Jego modyfikacja jest używana we wszystkich laboratoriach fizycznych do wizualnej demonstracji eksperymentów.
Budowa maszyny do elektroformowania
Dwie współosiowe tarcze obracają się względem siebie, a na nich znajdują się proste aluminiowe kondensatory sektorowe. W wyniku procesów losowych w momencie pierwotnym na odcinku jednego z segmentów powstaje ładunek. Zjawisko to jest powodowane przez proces tarcia o powietrze. Ze względu na symetrię wzoru nie można z góry przewidzieć ostatecznego znaku.
Do budowy użyto dwóch słojów lejdejskich. Tworzą one jeden układ z kondensatorów połączonych szeregowo. Wpływa to na dwukrotne zmniejszenie wymagań dotyczących napięcia roboczego dla każdego kondensatora. Należy wybrać urządzenia o takich samych wartościach znamionowych, aby zagwarantować równomierny rozkład napięcia roboczego.
Neutralizatory indukcyjne mają za zadanie rozładować napięcie. Cała konstrukcja przypomina metalowy grzebień, który unosi się w pewnej odległości nad tarczą. Obie tarcze o jednakowych znakach powierzchni zewnętrznej docierają do punktu usuwania ładunku. Neutralizatory są sparowane. Po osiągnięciu punktu rozładowania ładunek segmentów ulega znacznemu zmniejszeniu. W dodatkowych konstrukcjach szczotka ma łatwy kontakt z krawędzią tarczy.
Operator wymusza połączenie odpychających się elementów systemu za pomocą napędu elektrycznego lub własnej ręki. Oddziałujące ze sobą ładunki mają tendencję do jak największego rozproszenia się. Proces ten prowadzi do gwałtownego wzrostu gęstości ładunku powierzchniowego we wszystkich punktach ekstrakcji.
Energia elektryczna jest pobierana w bankach lejdejskich z grzbietów neutralizatorów. Następuje gwałtowny wzrost napięcia. Ogranicznik przymocowany do dwóch elektrod pomaga uniknąć awarii systemu. Możliwe jest uzyskanie łuków o różnej sile poprzez dostosowanie odległości między nimi. Istnieje korelacja: im silniejsze jest natężenie pola między dwoma wyładownikami, tym głośniejszy jest efekt towarzyszący opróżnianiu słoików lejdejskich.
Segmenty pozostają opróżnione po usunięciu ładunku. Potencjalne wyrównywacze lub neutralizatory są instalowane wzdłuż przebiegu ruchu. Każda przeciwległa strona tarczy oddała już ładunek na poszczególnych szczotkach. W momencie przekroczenia punktu wyładowania i po jego przekroczeniu objawy resztkowe ładunku są różne.
Kawałek grubego drutu miedzianego z delikatną szczotką drucianą, zawieszony na małej wysokości lub pocierający segmenty, pomaga zamknąć te przeciwstawne znaki. W rezultacie ładunki na obu segmentach zrównują się do zera, a cała energia zostaje zamieniona zgodnie z prawem Joule'a-Lenza na ciepło wydzielane na pogrubionym drucie miedzianym.
Co to są słoje lejdejskie
Pierwszym kondensatorem elektrycznym stworzonym przez holenderskiego naukowca Pietera van Muschenbroeka był słoik z Lejdy. Wynaleziony skraplacz ma kształt walca z szeroką lub średnią szyjką o różnych średnicach. Słoik lejdejski jest wykonany ze szkła. Jest on wyłożony wewnątrz i na zewnątrz specjalną blachą. Produkt przykrywa się drewnianą pokrywą. Główną funkcją wynalazku jest gromadzenie i przechowywanie dużych ładunków.
Stworzenie takiego słoika zostało zainspirowane szeroko zakrojonymi badaniami nad elektrycznością, jej ogólną prędkością rozchodzenia się oraz właściwościami przewodzenia prądu przez różne materiały. Po raz pierwszy udało się sztucznie wytworzyć iskrę elektryczną. Obecnie słoje lejdejskie są stosowane wyłącznie jako integralna część maszyn do elektroformowania.
Jak działa maszyna do elektroformowania
Energia do zmiany znaków jest pobierana z mocy operatora. Już między wyrównywaczami a szczotkami tarcze poruszają się, odpychając się od siebie. Swoją rolę odgrywa też liczba obrotów na minutę. Zwiększa się gęstość ładunku. Najsilniejszy ładunek przeciwległych tarcz przepycha pozostałości przez miedziane odcinki drutu. Z tego pochodzi energia, wystarczająca do zmiany znaku.
Poprzez zwiększenie gęstości powierzchniowej ładunek jest usuwany w jednostce. W jednym punkcie energia jest magazynowana w słoiku lejdejskim, a inny punkt jest wykorzystywany do zmiany znaku. Neutralizatory indukcyjne są praktycznie nie do odróżnienia. Obie pełnią wspólną funkcję neutralizującą energię. Układy ogólne:
- W konstrukcji występują dwa rodzaje kondensatorów: słoje Leydena, w których gromadzony jest ładunek, oraz połączenie segmentu obu dysków z dielektrykiem i aluminiową osłoną.
- Zmniejszaniem ładunku segmentów aluminiowych zajmują się dwa rodzaje neutralizatorów. Pierwszy z nich służy do zmiany znaku lub polaryzacji, a drugi do naładowania słoika Lejdy.
Cała energia nie pochodzi z tarcia aluminium i miedzi ani z elektryzowania się powietrza. Powstaje on w wyniku wymuszenia wypełnienia kondensatorów siłą skręcającą tarczę. Wszystkie procesy są realizowane poprzez radykalne zwiększenie gęstości ładunku powierzchniowego w punktach ekstrakcji.
Zastosowania maszyny do elektroformowania
Od lat 70. XX wieku maszyna Wimshursta nie jest wykorzystywana do bezpośredniego pozyskiwania energii elektrycznej. Obecnie służy jako eksponat historyczny, ilustrujący historię i rozwój postępu naukowo-technicznego oraz myśli inżynierskiej. Demonstracja laboratoryjna tego, do czego służy maszyna do elektroformowania, pokazuje różne zjawiska i efekty działania elektryczności.
Dopuszczalne jest stosowanie neutralizatorów indukcyjnych, usuwających ładunki z dielektryków ciekłych, takich jak olej. Iskra w powietrzu w każdym zakładzie produkcyjnym jest niebezpieczna, może prowadzić do szkodliwych skutków, dymu, a nawet eksplozji.
Historia odkryć i badań w dziedzinie elektryczności jest ściśle związana z wykorzystaniem różnych konstrukcji i urządzeń do wytwarzania ładunków elektrycznych. Elektroformierka, której działanie opiera się na wzbudzaniu elektryczności przez indukcję, odegrała swoją rolę w badaniach naukowych.
Powiązane artykuły:
