Wimshurstov generátor alebo elektroformovací stroj je indukčné elektrostatické zariadenie určené ako nepretržitý zdroj elektrickej energie. Používa sa v 21. storočí ako pomocná technika na demonštráciu fyzikálnych experimentov zahŕňajúcich rôzne elektrické efekty a javy.
Obsah
Niečo z histórie vynálezu
V roku 1865 nakreslil nemecký experimentálny fyzik August Thöepler konečné nákresy elektroformovacieho stroja. V tom istom čase urobil nemecký vedec Wilhelm Holz druhý nezávislý objav podobného stroja. Hlavným rozdielom zariadenia bola jeho schopnosť produkovať vysoký výkon a rozdiel potenciálov. Holtz sa považuje za tvorcu zdroja jednosmerného elektrického prúdu.
Jednoduchý pôvodný dizajn elektroformovacieho stroja zdokonalil v roku 1883 James Wimshurst z Anglicka. Jeho modifikácia sa používa vo všetkých fyzikálnych laboratóriách na vizuálnu demonštráciu experimentov.
Konštrukcia elektroformovacieho stroja
Dva súosové disky sa otáčajú proti sebe, pričom nesú jednoduché hliníkové sektorové kondenzátory. V dôsledku náhodných procesov v primárnom momente vzniká na úseku jedného z úsekov náboj. Tento jav je spôsobený trením o vzduch. Vzhľadom na symetriu konštrukcie sa konečné znamienko nedá vopred predpovedať.
Pri konštrukcii sa používajú dve leidenské nádoby. Vytvárajú jeden systém zo sériovo zapojených kondenzátorov. To má vplyv na dvojnásobné zníženie požiadaviek na prevádzkové napätie každého kondenzátora. Ako záruka rovnomerného rozloženia prevádzkového napätia by sa mali zvoliť rovnaké menovité hodnoty.
Indukčné neutralizátory sú určené na uvoľnenie napätia. Celá konštrukcia pripomína kovový hrebeň, ktorý sa vznáša v určitej vzdialenosti nad diskom. Oba disky s rovnakými znakmi vonkajšieho povrchu sa dostanú do miesta odstránenia nálože. Neutralizátory sú spárované. Po realizácii bodu vybitia sa náboj segmentov výrazne zníži. V ďalších prevedeniach je kefa v ľahkom kontakte s okrajom kotúča.
Obsluha tlačí odpudivé prvky systému k sebe buď pomocou elektrického pohonu, alebo vlastnou rukou. Náboje, ktoré na seba vzájomne pôsobia, sa snažia čo najviac rozptýliť. Tento proces podporuje prudké zvýšenie hustoty povrchového náboja vo všetkých bodoch extrakcie.
Elektrická energia sa zbiera v Leidenskej banke z neutralizačných hrebienkov. Dochádza k rýchlemu nárastu napätia. Zvodič pripojený k dvom elektródam pomáha zabrániť zlyhaniu systému. Nastavením vzdialenosti medzi nimi je možné získať oblúky rôznej sily. Existuje korelácia: čím silnejšie je pole medzi dvoma výbojkami, tým hlučnejší efekt sprevádza vyprázdňovanie Leydenských pohárov.
Segmenty zostávajú po odstránení nálože vyprázdnené. Na trase pohybu sa inštalujú potenciálne vyrovnávače alebo neutralizátory. Každá protiľahlá strana disku už odovzdala náboj na rôznych kefkách. V okamihu prechodu bodom odberu a po ňom sa zvyškové znaky náboja líšia.
Kúsok hrubého medeného drôtu s jemnými drôtenými kefkami, ktorý sa vznáša v malej výške alebo trením segmentov, pomáha uzavrieť tieto protichodné znaky. Výsledkom je, že náboje na oboch segmentoch sa vyrovnajú na nulu, všetka energia sa podľa Jouleovho-Lenzovho zákona premení na teplo vznikajúce na zhrubnutom medenom drôte.
Čo sú to Leidenské poháre
Prvým elektrickým kondenzátorom, ktorý vytvoril holandský vedec Pieter van Muschenbroek, bola Leidenská banka. Vynájdený kondenzátor má tvar valca so širokým alebo stredne veľkým hrdlom rôzneho priemeru. Leidenská nádoba je vyrobená zo skla. Zvnútra aj zvonka je vystlaný špeciálnym plechom. Výrobok je zakrytý dreveným vekom. Hlavnou funkciou vynálezu je akumulovať a ukladať veľké nálože.
Podnetom na vytvorenie takejto nádoby bolo rozsiahle štúdium elektriny, jej všeobecnej rýchlosti šírenia a vlastností vodivosti elektriny rôznych materiálov. Prvýkrát sa podarilo umelo vyrobiť elektrickú iskru. V súčasnosti sa Leidenské nádoby používajú len ako neoddeliteľná súčasť elektroformovacích strojov.
Ako funguje elektroformovací stroj
Energia na zmenu značiek sa odoberá zo sily operátora. Už medzi vyrovnávačmi a kefami sa kotúče pohybujú so vzájomným odpudzovaním. Svoju úlohu zohráva aj počet otáčok za minútu. Hustota náboja sa zvýši. Najsilnejší náboj protiľahlých kotúčov pretláča zvyšky cez úseky medeného drôtu. Z toho pochádza energia, ktorá stačí na zmenu znamienka.
Zvýšením povrchovej hustoty sa v jednotke odstráni náboj. V jednom bode je energia uložená v Leidenskej nádobe a v inom bode sa používa na zmenu znamienka. Indukčné neutralizátory sú prakticky nerozoznateľné. Obe majú spoločnú funkciu neutralizácie energie. Všeobecné obvody:
- V konštrukcii sú 2 typy kondenzátorov: Leydenove nádoby, v ktorých je uložený náboj, a kombinácia segmentu oboch diskov s dielektrikom a hliníkovým krytom.
- Zníženie náboja hliníkových segmentov sa vykonáva pomocou 2 typov neutralizátorov. Prvý sa používa na zmenu znamienka alebo polarizácie a druhý na nabíjanie Leidenskej banky.
Všetka energia nepochádza z trenia hliníka a medi ani z elektrifikácie vzduchu. Vytvára sa tak, že sa kondenzátory naplnia torznou silou disku. Všetky procesy sa vykonávajú výrazným zvýšením hustoty povrchového náboja v miestach extrakcie.
Použitie elektroformovacieho stroja
Od 70. rokov 20. storočia sa Wimshurstov stroj nepoužíva na priame získavanie elektrickej energie. Dnes slúži ako historická expozícia, ktorá ilustruje históriu a vývoj vedecko-technického pokroku a technického myslenia. Laboratórna ukážka toho, na čo slúži elektroforéza, ukazuje rôzne javy a účinky elektriny.
Je prípustné používať indukčné neutralizátory, ktoré odstraňujú náboje z kvapalných dielektrík, ako je napríklad olej. V každom výrobnom zariadení je nebezpečné, ak sa do vzduchu dostane iskra, môže to mať škodlivé účinky, dym a dokonca aj výbuch.
História objavov a výskumu v oblasti elektriny je úzko spätá s používaním rôznych konštrukcií a zariadení na výrobu elektrických nábojov. Elektroformovací stroj, ktorého činnosť je založená na budení elektrickým prúdom prostredníctvom indukcie, zohral svoju úlohu vo vedeckom výskume.
Súvisiace články:
