WIMSHURST MACHINE: KASAYSAYAN, KUNG PAANO ITO GUMAGANA AT APLIKASYON - PISIKAL - 2025

Ang makina ng Wimshurst ay isang mataas na boltahe, mababang amperage electrostatic generator, na may kakayahang makagawa ng static na koryente sa pamamagitan ng paghihiwalay ng mga singil, salamat sa pagliko ng isang pihitan. Sa kabilang banda, ang kasalukuyang ginagamit na mga generator tulad ng mga baterya, alternator at dynamos ay sa halip ay mapagkukunan ng puwersa ng elektromotiko, na nagiging sanhi ng mga paggalaw ng mga singil sa isang saradong circuit.

Ang Wimshurst machine ay binuo ng inhinyero at imbentor ng British na si James Wimshurst (1832-1903) sa pagitan ng 1880 at 1883, na nagpapabuti ng mga bersyon ng mga electrostatic generators na iminungkahi ng iba pang mga imbentor.

Wimshurst machine. Pinagmulan: Andy Dingley (scanner)

Ito ay nakatayo sa nakaraang mga electrostatic machine para sa maaasahan, maaaring muling paggawa ng operasyon at simpleng konstruksyon, na makagawa ng isang nakakapagod na potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng 90,000 at 100,000 volts.

Wimshurst machine bahagi

Ang batayan ng makina ay ang dalawang katangian na insulating material disc, na may manipis na mga sheet ng metal na nakalakip at inayos sa anyo ng mga sektor ng radial.

Ang bawat sektor ng metal ay may isa pang diametrically kabaligtaran at simetriko. Ang mga disc ay karaniwang sa pagitan ng 30 at 40 cm ang lapad, ngunit maaari rin silang maging mas malaki.

Ang parehong mga disc ay naka-mount sa isang vertical na eroplano at pinaghihiwalay ng isang distansya ng pagitan ng 1 hanggang 5 mm. Mahalaga na ang mga disc ay hindi kailanman hawakan habang umiikot. Ang mga disc ay pinaikot sa kabaligtaran ng mga direksyon sa pamamagitan ng isang mekanismo ng kalo.

Ang makinang Wimshurst ay may dalawang metal bar na kahanay sa eroplano ng pag-ikot ng bawat disk: ang isa patungo sa labas ng unang disk at ang iba pa patungo sa labas ng pangalawang disk. Ang mga bar na ito ay lumilitaw sa isang anggulo na may paggalang sa bawat isa.

Ang mga dulo ng bawat bar ay may mga brushes ng metal na nakikipag-ugnay sa mga tumututol na mga sektor ng metal sa bawat disc. Kilala sila bilang mga neutralizer bar, sa mabuting kadahilanan na tatalakayin sa madaling panahon.

Ang mga brushes ay panatilihin ang mga de-koryenteng (metal) na makipag-ugnay sa sektor ng disc na humipo sa isang dulo ng bar, na ang sektor ay diametrically kabaligtaran. Ang parehong bagay ay nangyayari sa iba pang album.

Ang epekto ng triboelectric

Ang mga brushes at sektor ng disc ay gawa sa iba't ibang mga metal, halos palaging tanso o tanso, habang ang mga blades ng mga disc ay gawa sa aluminyo.

Ang mabilis na contact sa pagitan nila habang ang mga disc ay paikutin at ang kasunod na paghihiwalay, ay lumilikha ng posibilidad ng pagpapalitan ng mga singil sa pamamagitan ng pagdirikit. Ito ang triboelectric na epekto, na maaari ring maganap sa pagitan ng isang piraso ng amber at isang tela ng lana, halimbawa.

Ang isang pares ng U-shaped na mga kolektor ng metal (combs) ay idinagdag sa makina na may mga tip sa metal o spike, na matatagpuan sa mga katapat na posisyon.

Ang mga sektor ng parehong mga disc ay dumaan sa panloob na bahagi ng kolektor U nang hindi hawakan ito. Ang mga kolektor ay naka-mount sa isang insulating base at magkakasamang konektado sa dalawang iba pang mga metal bar na nagtatapos sa mga spheres, malapit ngunit hindi rin hawakan.

Kapag ang mekanikal na enerhiya ay ibinibigay sa makina sa pamamagitan ng crank, ang alitan ng brushes ay gumagawa ng triboelectric na epekto na naghihiwalay sa mga singil, pagkatapos kung saan ang mga electron na nakahiwalay ay nakuha ng mga kolektor at nakaimbak sa dalawang aparato na tinatawag na mga bote ng Leyden.

Ang Leyden na bote o pit ay isang pampalapot na may mga cylindrical metal frame. Ang bawat bote ay konektado sa iba pa sa gitnang plato, na bumubuo ng dalawang capacitor sa serye.

Ang pag-on ng crank ay gumagawa ng tulad ng isang mataas na pagkakaiba sa mga potensyal na elektrikal sa pagitan ng mga spheres na ang hangin sa pagitan ng mga ito ay nag-ionize at isang jump jump. Ang kumpletong aparato ay makikita sa imahe sa itaas.

Sa makina ng Wimshurst, ang kuryente ay lumalabas sa bagay, na binubuo ng mga atomo. At ang mga ito ay binubuo ng mga singil na de koryente: mga negatibong elektron at positibong proton.

Sa atom ang mga positibong sisingilin na mga proton ay naka-pack sa gitna o nucleus at ang negatibong sisingilin ng mga electron sa paligid ng nucleus.

Kapag ang isang materyal ay nawawala ang ilan sa mga pinakamalawak na elektron, ito ay nagiging positibong sisingilin. Sa kabaligtaran, kung nakakuha ka ng ilang mga elektron, nakakakuha ka ng isang net negatibong singil. Kapag ang bilang ng mga proton at elektron ay pantay, neutral ang materyal.

Sa mga insulating material, ang mga electron ay nananatili sa paligid ng kanilang nuclei nang walang kakayahang lumihis sa malayo. Ngunit sa mga metal ang nuclei ay napakalapit sa bawat isa na ang mga panlabas na elektron (o valence) ay maaaring tumalon mula sa isang atom papunta sa isa pa, gumagalaw sa buong materyal na conductive.

Kung ang isang negatibong sisingilin na bagay ay lumalapit sa isa sa mga mukha ng isang metal plate, pagkatapos ang mga electron ng metal ay lumayo sa pamamagitan ng electrostatic repulsion, sa kasong ito sa kabaligtaran na mukha. Ang plato ay sinasabing naging polarized.

Ngayon, kung ang polarized plate na ito ay konektado ng isang conductor (neutralizing bar) sa negatibong panig nito sa ibang plato, ang mga electron ay lilipat sa pangalawang plato. Kung ang koneksyon ay biglang gupitin, ang pangalawang plato ay negatibong sisingilin.

I-load at ikot ng imbakan

Para sa Wimshurst machine na mag-boot, ang isa sa mga sektor ng metal sa disk ay kailangang magkaroon ng kawalan ng timbang. Nangyayari ito nang natural at madalas, lalo na kung may kaunting kahalumigmigan.

Kapag nagsimulang mag-ikot ang mga disc, magkakaroon ng isang oras na ang isang neutral na sektor ng kabaligtaran na disc ay tutol sa saradong sektor. Ipinapahiwatig nito ang isang singil ng pantay na laki at kabaligtaran ng direksyon salamat sa mga brushes, dahil ang mga elektron ay lumayo o lumapit, ayon sa pag-sign ng sektor na nakaharap.

Schematic ng Wimshurst machine. Pinagmulan: RobertKuhlmann

Ang mga kolektor ng hugis-U ay may pananagutan sa pagkolekta ng singil kapag ang mga disk ay nagtatapon sa bawat isa dahil sila ay sinisingil ng mga paratang ng parehong pag-sign, tulad ng ipinapakita sa figure, at sinabi ng tindahan na singil sa mga bote ng Leyden na konektado sa kanila.

Upang makamit ito, ang panloob na bahagi ng U protrudes magsuklay-tulad ng mga taluktok na itinuro patungo sa mga panlabas na mukha ng bawat disc, ngunit nang hindi hawakan ang mga ito. Ang ideya ay ang positibong singil ay puro sa mga tip, upang ang mga elektron na pinalabas mula sa mga sektor ay akit at makaipon sa gitnang plato ng mga bote.

Sa ganitong paraan ang sektor na nakaharap sa kolektor ay nawawala ang lahat ng mga electron nito at nananatiling neutral, habang ang gitnang plato ng Leyden ay negatibong sisingilin.

Sa kabaligtaran ng kolektor ang kabaligtaran ay nangyayari, ang kolektor ay naghahatid ng mga electron sa positibong plato na hinaharap ito hanggang sa ito ay neutralisado at ang proseso ay paulit-ulit na paulit-ulit.

Mga aplikasyon at eksperimento

Ang pangunahing aplikasyon ng Wimshurst machine ay upang makakuha ng kuryente mula sa bawat pag-sign. Ngunit mayroon itong kawalan na nagbibigay ng isang hindi regular na boltahe, dahil nakasalalay ito sa mekanikal na pagkilos.

Ang anggulo ng mga neutralizer bar ay maaaring iba-iba upang itakda ang mataas na output kasalukuyang o mataas na boltahe ng output. Kung ang mga neutralizer ay malayo sa mga kolektor, ang makina ay naghahatid ng isang mataas na boltahe (hanggang sa higit sa 100 kV).

Sa kabilang banda, kung sila ay malapit sa mga kolektor, bumababa ang output boltahe at ang pagtaas ng output kasalukuyang, at maaaring umabot ng hanggang sa 10 microamperes sa normal na bilis ng pag-ikot.

Kapag ang naipon na singil ay umabot sa isang sapat na sapat na halaga pagkatapos ng isang mataas na larangan ng kuryente ay ginawa sa mga spheres na konektado sa gitnang mga plato ng Leyden.

Ang patlang na ito ay nag-ionize ng hangin at gumagawa ng spark, naglalabas ng mga bote at nagbibigay ng pagtaas sa isang bagong cycle ng singil.

Eksperimento 1

Ang mga epekto ng larangan ng electrostatic ay maaaring pahalagahan sa pamamagitan ng paglalagay ng isang sheet ng karton sa pagitan ng mga spheres at pagmamasid na ang mga sparks ay gumawa ng mga butas sa loob nito.

Eksperimento 2

Para sa eksperimento na ito kakailanganin mo: isang pendulum na gawa sa isang ping pong ball na sakop ng aluminyo na foil at dalawang mga sheet na metal na may hugis-L.

Ang bola ay nakabitin sa gitna ng dalawang sheet sa pamamagitan ng isang insulating wire. Ang bawat sheet ay konektado sa mga electrodes ng Wimshurst machine sa pamamagitan ng mga cable na may mga clamp.

Bilang nakabukas ang pihitan, ang una na neutral na bola ay mag-oscillate sa pagitan ng mga blades. Ang isa sa kanila ay magkakaroon ng labis na negatibong singil na magbubunga sa bola, na maaakit sa positibong sheet.

Ang bola ay magdeposito ng labis na mga electron sa sheet na ito, ito ay maikli neutralisahin at ang pag-ikot ay ulitin muli hangga't ang crank ay patuloy na lumiko.

Mga Sanggunian

1. De Queiroz, A. Mga Electrostatic Machines. Nabawi mula sa: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Mga Alituntunin sa Application ng Elektrostiko. Nabawi mula sa: orbus.be