Storia di Wimshursst, come funziona e applicazioni

IL Macchina Wimshurst È un generatore elettrostatico di alta tensione e basso amperaggio, in grado di produrre elettricità statica mediante separazione dei carichi, grazie alla rotazione di una manovella. D'altra parte, i generatori attualmente utilizzati come batterie, alternatori e dinamo sono piuttosto fonti di forza elettromotoria, che causano movimenti di carico in un circuito chiuso.

La macchina Wimshursst fu sviluppata dall'ingegnere e l'inventore britannico James Wimshurst (1832-1903) tra il 1880 e il 1883, migliorando le versioni di generatori elettrostatici proposti da altri inventori da altri inventori.

Macchina Wimshurst. Fonte: Andy Dingley (scanner) [dominio pubblico]

Si distingue su precedenti macchine elettrostatiche per il suo funzionamento affidabile e riproducibile e la costruzione semplice, essendo in grado di generare una straordinaria differenza potenziale tra 90.000 e 100.000 volt.

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Parti della macchina Wimshurst

La base della macchina sono i due dischi caratteristici di materiale isolante, con fogli di metallo sottili attaccati e disposti sotto forma di settori radiali.

Ogni settore metallico ha un altro diametralmente opposto e simmetrico. I dischi di solito hanno un diametro di 30 e 40 cm, ma possono anche essere molto più vecchi.

Entrambi gli album sono montati su un piano verticale e una distanza tra 1 e 5 mm è separata. È importante che durante il turno i record non vengano mai toccati. I dischi sono girati in sensi opposti attraverso un meccanismo di puleggia.  

La macchina Wimshurst ha due barre di metallo parallele al piano di rotazione di ogni album: uno sul lato esterno del primo album e l'altro verso il lato esterno del secondo album. Queste barre sono destinate ad angolo rispetto all'altra.

Le estremità di ogni barra hanno scope in metallo che entrano in contatto con i settori in metallo opposto su ciascun disco. Sono conosciuti come barre di neutralizzazione, per una buona ragione che sarà vista a breve.

Le spazzole mantengono il settore del disco che tocca un'estremità della barra, con il contatto elettrico diametralmente opposto, con il diametralmente opposto. La stessa cosa accade nell'altro album.

L'effetto triboelettrico

I settori delle scope e del disco sono realizzati con metalli diversi, quasi sempre rame o bronzo, mentre i dischi di alluminio sono realizzati in alluminio.

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Il fugace contatto tra loro mentre i dischi ruotano e la successiva separazione, crea la possibilità di scambiare carichi attraverso l'adesione. Questo è l'effetto triboelettrico, che può verificarsi anche tra un pezzo di ambra e un panno di lana, ad esempio.

La macchina viene aggiunta alla macchina (Combs) metallica a forma di una forma a U e termina in punte o picchi di metallo, situati in posizioni opposte.

I settori di entrambi gli album passano dalla parte interna dell'U del collezionista senza toccarlo.  I collezionisti sono montati su una base isolante e a loro volta sono collegati ad altre due barre di metallo rifinite in sfere, ma entrambi vengono giocati.

Quando l'energia meccanica viene fornita alla macchina per mezzo della manovella, il Rubb Leyden.

La bottiglia o la brocca di Leyden è un condensatore con armatura in metallo cilindrico. Ogni bottiglia è collegata all'altra dalla piastra centrale, formando due condensatori in serie.

Quando la manovella si gira c'è una differenza potenziale elettrica così elevata tra le sfere, che l'aria tra loro è ionizzata e salta una scintilla. Il dispositivo completo può essere visto nell'immagine sopra.

Principi fisici coinvolti

Nella macchina Wimshursst, l'elettricità esce dalla materia, che è composta da atomi. E questi a loro volta sono costituiti da cariche elettriche: elettroni negativi e protoni positivi.

Nell'atomo i protoni di carico positivi sono compattati al centro o al nucleo e gli elettroni di carico negativi attorno al loro nucleo.

Quando un materiale perde alcuni dei suoi elettroni più esterni viene caricato positivamente. Al contrario, se catturi alcuni elettroni, ottieni un carico netto negativo. Quando la quantità di protoni ed elettroni è la stessa, il materiale è neutro.

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Nei materiali isolanti, gli elettroni rimangono attorno ai loro nuclei senza la possibilità di andare troppo lontano. Ma nei metalli i nuclei sono così vicini l'uno all'altro, che gli elettroni più esterni (o valenza) possono saltare da un atomo all'altro, muovendosi attraverso il materiale conduttivo.

Se una delle facce di una piastra di metallo viene avvicinata a una carica negativa, allora gli elettroni del metallo si allontanano dalla repulsione elettrostatica, in questo caso alla faccia opposta. Si dice quindi che il piatto sia stato polarizzato. 

Ora, se questa placca polarizzata è collegata da un driver (barre neutralizzanti) dalla sua faccia negativa su un'altra piastra, gli elettroni si sposterebbero in questa seconda piastra. Se la connessione viene improvvisamente tagliata, la seconda piastra viene caricata negativamente.

Caricamento e ciclo di archiviazione

In modo che inizi la macchina Wimshurst, è necessario che alcuni dei settori metallici del disco abbiano uno squilibrio di carico. Questo accade in modo naturale e frequente, specialmente quando c'è poca umidità ambientale.

Quando i dischi iniziano a girare, ci sarà un tempo in cui un settore neutro del disco opposto si oppone al settore caricato. Ciò induce un onere di uguale grandezza e la direzione opposta grazie ai pennelli, poiché gli elettroni vengono mobilitati allontanandosi o avvicinandosi, secondo il segno del settore del viso.

Schema di macchine Wimshurst. Fonte: Robertkuhlmann [dominio pubblico]

I collezionisti a forma di U sono responsabili della raccolta del carico quando i dischi sono respinti.

Per raggiungere questo obiettivo, nella parte interna degli utri di Utri come pettinati verso i volti esterni di ogni album, ma senza toccarli. L'idea è che sulle punte positive è concentrato, in modo che gli elettroni espulsi dai settori siano attratti e si accumulano nella piastra centrale delle bottiglie.

In questo modo il settore di fronte al collettore perde tutti i suoi elettroni ed è neutro, mentre la piastra centrale del Leyden è negativamente.

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Nel collettore opposto, il passaggio opposto, il collettore fornisce elettroni alla piastra positiva che lo affronta fino a quando non viene neutralizzato e il processo viene ripetutamente ripetuto.

Applicazioni ed esperimenti

La principale applicazione della macchina Wimshursst è ottenere elettricità da ciascun segno. Ma ha l'inconveniente che fornisca una tensione piuttosto irregolare, poiché dipende dall'azione meccanica.

L'angolo della barra di neutralizzazione può essere variato per configurare a corrente di uscita elevata o ad alta tensione di uscita. Se i neutralizzatori sono lontani dai collezionisti, la macchina offre un'alta tensione (fino a più di 100 kV).

D'altra parte, se sono vicini ai collezionisti, la tensione di uscita diminuisce e la corrente di uscita aumenta, essendo in grado di raggiungere fino a 10 micro -champion a velocità di rotazione normali.

Quando il carico accumulato raggiunge un valore abbastanza alto, c'è quindi un campo elettrico elevato nelle sfere collegate alle piastre centrali del Denden. 

Questo campo ionizza l'aria e produce la scintilla, scaricando le bottiglie e dando origine a un nuovo ciclo di carico.

Esperimento 1

Gli effetti del campo elettrostatico possono essere visti posizionando un cartone tra le sfere e osservando che le scintille fanno buchi.

Esperimento 2

Per questo esperimento è necessario: un pendolo realizzato con una sfera da ping coperto di foglio di alluminio e due fogli di metallo sotto forma di una forma di L.

La palla è impiccata nel mezzo di entrambi i fogli per mezzo di un filo isolante. Ogni foglio si collega agli elettrodi della macchina Wimshursst tramite cavi cavi.

Quando si gira la manovella, la palla inizialmente neutra si interromperà tra i fogli. Uno di questi avrà un carico negativo in eccesso che produrrà alla palla, che sarà attratto dal foglio positivo.

La palla depositerà i suoi elettroni in eccesso in questo foglio, verrà brevemente neutralizzata e il ciclo verrà ripetuto di nuovo mentre la manovella sta ancora ruotando.

Riferimenti

1. Queiroz, a. Macchine elettrostatiche. Recuperato da: coe.Ufrj.Br
2. Gacanovic, Myco. 2010. Principi di applicazione elettrostatica. Recuperato da: Orbus.Essere