WIMSHURST-MASKIN: HISTORIE, HVORDAN DEN FUNGERER OG APPLIKASJONER - FYSISK - 2026

Den Wimshurst maskin er en høy spenning, lav strømstyrke elektrostatisk generator, istand til å frembringe statisk elektrisitet ved separasjon av ladninger, takket være sin side av en sveiv. På den annen side er de for tiden brukte generatorer som batterier, generatorer og dynamoer snarere kilder til elektromotorisk kraft, noe som forårsaker bevegelser av ladninger i en lukket krets.

Wimshurst-maskinen ble utviklet av den britiske ingeniøren og oppfinneren James Wimshurst (1832-1903) mellom 1880 og 1883, og forbedret versjoner av elektrostatiske generatorer foreslått av andre oppfinnere.

Wimshurst-maskin. Kilde: Andy Dingley (skanner)

Den skiller seg ut fra tidligere elektrostatiske maskiner for sin pålitelige, reproduserbare drift og enkle konstruksjon, og er i stand til å generere en svimlende potensialforskjell på mellom 90 000 og 100 000 volt.

Wimshurst maskindeler

Basen på maskinen er de to karakteristiske isolasjonsmaterialeskivene, med tynne metallplater festet og anordnet i form av radielle sektorer.

Hver metallsektor har en annen diametralt motsatt og symmetrisk. Skivene er vanligvis mellom 30 og 40 cm i diameter, men de kan også være mye større.

Begge skivene er montert i et vertikalt plan og er atskilt med en avstand på mellom 1 og 5 mm. Det er viktig at platene aldri berører under spinning. Skivene roteres i motsatte retninger ved hjelp av en remskivemekanisme.

Wimshurst-maskinen har to metallstenger parallelt med rotasjonsplanet for hver disk: en mot utsiden av den første disken og den andre mot utsiden av den andre disken. Disse stolpene skjærer hverandre i vinkel.

Endene av hver stang har metallbørster som tar kontakt med motsatte metallsektorer på hver plate. De er kjent som nøytralisatorstenger, med god grunn som vil bli diskutert om kort tid.

Børstene holder elektrisk (metallisk) kontakt med sektoren på platen som berører den ene enden av stangen, med sektoren diametralt motsatt. Det samme skjer på det andre albumet.

Den triboelektriske effekten

Børstene og sektorene på platen er laget av forskjellige metaller, nesten alltid kobber eller bronse, mens bladene på platene er laget av aluminium.

Den flyktige kontakten mellom dem mens platene roterer og den etterfølgende separasjonen, skaper muligheten for å bytte ladninger gjennom vedheft. Dette er den triboelektriske effekten, som også kan forekomme mellom et stykke rav og en ullklut.

Et par U-formede metalloppsamlere (kammer) blir lagt til maskinen med metallspisser eller pigger, plassert i motsatte posisjoner.

Sektorene på begge platene går gjennom den indre delen av samleren U uten å berøre den. Samlerne er montert på en isolerende sokkel og er igjen koblet til to andre metallstenger som ender i kuler, tett, men ikke berører heller.

Når mekanisk energi tilføres maskinen ved hjelp av sveiven, gir friksjonen til børstene den triboelektriske effekten som skiller ladningene, hvoretter elektronene som allerede er separert blir fanget opp av samlerne og lagret i to enheter som kalles flasker med Leyden.

Leyden-flasken eller-kannen er en kondensator med sylindriske metallrammer. Hver flaske er koblet til den andre av den sentrale platen, og danner to kondensatorer i serie.

Å dreie sveiven gir så stor forskjell i elektrisk potensial mellom kulene at luften mellom dem ioniserer og en gnist hopper. Den komplette enheten kan sees på bildet over.

I Wimshurst-maskinen kommer strøm ut av materie, som består av atomer. Og disse består igjen av elektriske ladninger: negative elektroner og positive protoner.

I atomet pakkes de positivt ladede protonene i sentrum eller kjernen og de negativt ladede elektronene rundt kjernen.

Når et materiale mister noen av de ytterste elektronene, blir det positivt ladet. Motsatt, hvis du fanger opp noen elektroner, får du en netto negativ ladning. Når antall protoner og elektroner er lik, er materialet nøytralt.

I isolerende materialer holder elektroner seg rundt kjernene sine uten evnen til å streite for langt. Men i metaller er kjernene så nær hverandre at de ytterste elektronene (eller valensen) kan hoppe fra et atom til et annet og bevege seg gjennom det ledende materialet.

Hvis en negativt ladet gjenstand nærmer seg en av ansiktene til en metallplate, beveger metallene seg bort ved elektrostatisk frastøtning, i dette tilfellet til motsatt side. Platen sies da å ha blitt polarisert.

Nå, hvis denne polariserte platen er koblet av en leder (nøytraliseringsstenger) på sin negative side til en annen plate, ville elektronene flytte til denne andre platen. Hvis tilkoblingen plutselig er kuttet, blir den andre platen negativt ladet.

Last og lagringssyklus

For at Wimshurst-maskinen skal kunne starte opp, må en av metallsektorene på disken ha belastningsubalanse. Dette skjer naturlig og ofte, spesielt når det er lite luftfuktighet.

Når platene begynner å snurre, vil det være en tid hvor en nøytral sektor på motsatt plate motsetter seg den lastede sektoren. Dette induserer en ladning med lik størrelse og motsatt retning takket være børstene, siden elektronene beveger seg bort eller nærmere, i henhold til tegnet på sektoren som vender mot hverandre.

Skjematisk av Wimshurst-maskinen. Kilde: RobertKuhlmann

De U-formede samlerne er ansvarlige for å samle ladningen når skivene frastøter hverandre fordi de er siktet for ladninger med samme skilt, som vist på figuren, og lagrer ladningen i Leyden-flaskene som er koblet til dem.

For å oppnå dette stikker den indre delen av U kamlignende topper rettet mot de ytre ansiktene på hver plate, men uten å berøre dem. Tanken er at positiv ladning konsentrerer seg om spissene, slik at elektronene som blir utvist fra sektorene tiltrekkes og akkumuleres i den sentrale platen av flaskene.

På denne måten mister sektoren som vender mot samleren alle elektronene sine og forblir nøytral, mens sentralplaten til Leyden er negativt ladet.

I motsatt kollektor skjer det motsatte, samleren leverer elektroner til den positive platen som vender mot den til den er nøytralisert og prosessen gjentas kontinuerlig.

Bruksområder og eksperimenter

Den viktigste bruken av Wimshurst-maskinen er å skaffe strøm fra hvert skilt. Men det har den ulempen at den leverer en ganske uregelmessig spenning, siden den avhenger av den mekaniske aktiveringen.

Vinkelen på nøytralisatorstengene kan varieres for å stille inn høy utgangsstrøm eller høy utgangsspenning. Hvis nøytralisatorene er langt fra samlerne, leverer maskinen en høy spenning (opptil mer enn 100 kV).

På den annen side, hvis de er i nærheten av samlerne, reduseres utgangsspenningen og utgangsstrømmen øker, og kan nå opp til 10 mikroamper ved normale rotasjonshastigheter.

Når den akkumulerte ladningen når en høy nok verdi, produseres et høyt elektrisk felt i kulene som er koblet til sentralplatene i Leyden.

Dette feltet ioniserer luften og produserer gnisten, tømmer flaskene og gir opphav til en ny ladesyklus.

Eksperiment 1

Effektene av det elektrostatiske feltet kan forstås ved å plassere et pappark mellom kulene og observere at gnistene lager hull i den.

Eksperiment 2

For dette eksperimentet trenger du: en pendel laget av en ping pongkule dekket med aluminiumsfolie og to L-formede metallplater.

Kulen henges midt på de to arkene ved hjelp av en isolerende ledning. Hvert ark er koblet til elektrodene til Wimshurst-maskinen med kabler med klemmer.

Når sveiven dreies, vil den opprinnelig nøytrale kulen svinge mellom bladene. En av dem vil ha et overskudd av negativ ladning som vil gi ballen, noe som vil bli tiltrukket av det positive arket.

Ballen vil avsette overskytende elektroner på dette arket, den vil nøytraliseres kort og syklusen vil gjenta seg igjen så lenge sveiven fortsetter å snu.

referanser

1. De Queiroz, A. Elektrostatiske maskiner. Gjenopprettet fra: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Prinsipper for elektrostatisk anvendelse. Gjenopprettet fra: orbus.be