The Wimshurstův stroj Jedná se o vysokonapěťový elektrostatický generátor s nízkou intenzitou proudu, schopný otáčení klikou produkovat statickou elektřinu oddělením nábojů. Na druhou stranu, v současné době používané generátory, jako jsou baterie, alternátory a dynama, jsou spíše zdroji elektromotorické síly, která způsobuje pohyby nábojů v uzavřeném obvodu..
Stroj Wimshurst byl vyvinut britským inženýrem a vynálezcem Jamesem Wimshurstem (1832-1903) v letech 1880 až 1883 a vylepšil verze elektrostatických generátorů navržených jinými vynálezci..
Vyniká oproti předchozím elektrostatickým strojům spolehlivým, reprodukovatelným provozem a jednoduchou konstrukcí a je schopen generovat ohromný rozdíl potenciálů mezi 90 000 a 100 000 volty.
Rejstřík článků
Základem stroje jsou dva charakteristické disky s izolačním materiálem, s připevněnými tenkými plechy a uspořádanými do tvaru radiálních sektorů..
Každý kovový sektor má jiný diametrálně opačný a symetrický. Disky mají obvykle průměr od 30 do 40 cm, ale mohou být také mnohem větší.
Oba disky jsou namontovány ve svislé rovině a jsou od sebe vzdáleny ve vzdálenosti 1 až 5 mm. Je důležité, aby se disky během otáčení nikdy nedotýkaly. Disky se otáčejí v opačných směrech pomocí kladkového mechanismu.
Stroj Wimshurst má dvě kovové tyče rovnoběžné s rovinou otáčení každého disku: jeden směrem ven z prvního disku a druhý směrem ven z druhého disku. Tyto pruhy se protínají ve vzájemném úhlu.
Konce každé tyče mají kovové kartáče, které se dotýkají protilehlých kovových sektorů na každém disku. Oni jsou známí jako neutralizační tyče, a to z dobrého důvodu, aby se brzy objevily..
Kartáče udržují v elektrickém (kovovém) kontaktu sektor disku, který se dotýká jednoho konce tyče, s diametrálně opačným sektorem. Totéž se děje na druhém albu.
Kartáče a sektory disku jsou vyrobeny z různých kovů, téměř vždy mědi nebo bronzu, zatímco lamely disků jsou vyrobeny z hliníku.
Prchavý kontakt mezi nimi při otáčení disků a následné oddělení vytváří možnost výměny nábojů prostřednictvím adheze. Jedná se o triboelektrický jev, který může nastat také například mezi kusem jantaru a vlněným hadříkem.
Do stroje se přidá dvojice kovových sběračů (hřebenů) ve tvaru písmene U a zakončené kovovými hroty nebo hroty umístěnými v opačných polohách..
Sektory obou disků procházejí vnitřní částí U kolektoru, aniž by se ho dotýkaly. Kolektory jsou namontovány na izolační základně a jsou zase spojeny se dvěma dalšími kovovými tyčemi, které končí v koulích, těsně, ale nedotýkají se..
Když je do stroje dodávána mechanická energie pomocí kliky, tření kartáčů vytváří triboelektrický efekt, který odděluje náboje, po kterém jsou již oddělené elektrony zachyceny kolektory a uloženy ve dvou zařízeních zvaných lahve Leyden.
Láhev nebo džbán Leyden je kondenzátor s válcovými kovovými rámy. Každá láhev je vzájemně spojena centrální deskou a tvoří dva sériové kondenzátory.
Otáčením rukojeti vzniká tak velký rozdíl v elektrickém potenciálu mezi koulemi, že vzduch mezi nimi ionizuje a přeskakuje jiskra. Celé zařízení je vidět na obrázku výše.
Ve stroji Wimshurst vychází elektřina z hmoty, kterou tvoří atomy. A ty jsou zase tvořeny elektrickými náboji: zápornými elektrony a kladnými protony..
V atomu jsou kladně nabité protony zhutněny ve středu nebo jádru a záporně nabité elektrony kolem jeho jádra..
Když materiál ztratí některé ze svých nejvzdálenějších elektronů, stane se kladně nabitým. Naopak, pokud zachytíte nějaké elektrony, získáte čistý záporný náboj. Když je počet protonů a elektronů stejný, materiál je neutrální.
V izolačních materiálech zůstávají elektrony kolem svých jader, aniž by byly schopny zabloudit příliš daleko. Ale v kovech jsou jádra tak blízko sebe, že nejvzdálenější elektrony (nebo valence) mohou skákat z jednoho atomu na druhý a pohybovat se po vodivém materiálu..
Pokud se záporně nabitý objekt přiblíží k jedné z ploch kovové desky, pak se elektrony kovu vzdalují elektrostatickým odpuzováním, v tomto případě na opačnou stranu. Deska se pak říká, že se stala polarizovanou.
Nyní, pokud je tato polarizovaná deska připojena vodičem (neutralizačními pruhy) na její negativní straně k jiné desce, elektrony by se přesunuly na tuto druhou desku. Pokud je spojení náhle přerušeno, je druhá deska záporně nabitá.
Aby se stroj Wimshurst mohl spustit, musí mít jeden z kovových sektorů na disku nerovnováhu zatížení. K tomu dochází přirozeně a často, zejména při nízké vlhkosti..
Když se disky začnou otáčet, nastane doba, kdy se neutrální sektor protilehlého disku postaví proti vloženému sektoru. To na něm díky kartáčům indukuje náboj stejné velikosti a opačného směru, protože elektrony se pohybují pryč nebo blíže, podle znaménka sektoru obráceného k sobě..
Sběratelé ve tvaru U jsou zodpovědní za sběr náboje, když se disky navzájem odpuzují, protože jsou nabitý náboji stejného znaménka, jak je znázorněno na obrázku, a ukládají uvedený náboj do k nim připojených lahví Leyden..
K dosažení tohoto cíle ve vnitřní části U vyčnívají vrcholy jako hřebeny směrem k vnějším plochám každého disku, ale aniž by se jich dotýkaly. Myšlenka spočívá v tom, že kladný náboj je koncentrován na špičkách, takže elektrony vyloučené ze sektorů jsou přitahovány a hromadí se ve střední desce lahví..
Tímto způsobem sektor směřující ke kolektoru ztrácí všechny své elektrony a zůstává neutrální, zatímco centrální deska Leydenu je záporně nabitá..
V opačném kolektoru se stane pravý opak, kolektor dodává elektrony na pozitivní desku, která je proti ní, dokud není neutralizována a proces se neustále opakuje.
Hlavní aplikací stroje Wimshurst je získávání elektřiny z každého znamení. Má však tu nevýhodu, že dodává poměrně nepravidelné napětí, protože závisí na mechanickém ovládání.
Úhel tyčí neutralizátoru lze měnit tak, aby nastavoval buď vysoký výstupní proud, nebo vysoké výstupní napětí. Pokud jsou neutralizátory daleko od kolektorů, dodává stroj vysoké napětí (až do více než 100 kV).
Na druhou stranu, pokud jsou v blízkosti kolektorů, výstupní napětí klesá a výstupní proud se zvyšuje a je schopen dosáhnout až 10 mikroampérů při normální rychlosti otáčení..
Když akumulovaný náboj dosáhne dostatečně vysoké hodnoty, vytvoří se ve sférách spojených s centrálními deskami Leydenu vysoké elektrické pole.
Toto pole ionizuje vzduch a produkuje jiskru, vybíjí lahve a vede k novému nabíjecímu cyklu..
Účinky elektrostatického pole lze ocenit umístěním kartonu mezi koule a pozorováním, že jiskry v něm vytvářejí díry..
Pro tento experiment budete potřebovat: kyvadlo vyrobené z pingpongové koule pokryté hliníkovou fólií a dva plechy ve tvaru písmene L.
Míč je zavěšen uprostřed dvou listů pomocí izolačního drátu. Každá vrstva je připojena k elektrodám stroje Wimshurst pomocí kabelů se svorkami.
Při otáčení klikou bude původně neutrální koule oscilovat mezi lamelami. Jeden z nich bude mít přebytečný záporný náboj, který ustoupí míči, který bude přitahován kladným listem.
Míč uloží své přebytečné elektrony na tento list, bude krátce neutralizován a cyklus se bude opakovat znovu, dokud se klika bude dál točit..
Zatím žádné komentáře