Wimshurst maskin
 Wimshurst-maskin med två Leyden-burkar
| |
| Typ | elektrostatisk generator |
|---|---|
| Uppfinnare | James Wimshurst |
| Början | c. 1880 |
.jpg)
Wimshurst -influensmaskinen är en elektrostatisk generator , en maskin för att generera höga spänningar utvecklad mellan 1880 och 1883 av den brittiske uppfinnaren James Wimshurst (1832–1903).
Den har ett distinkt utseende med två stora kontraroterande skivor monterade i ett vertikalt plan, två korsade stänger med metallborstar och ett gnistgap som bildas av två metallsfärer.
Beskrivning
Dessa maskiner tillhör en klass av elektrostatiska generatorer som kallas påverkansmaskiner , som separerar elektriska laddningar genom elektrostatisk induktion, eller påverkan , inte beroende av friktion för deras funktion. Tidigare maskiner i denna klass utvecklades av Wilhelm Holtz (1865 och 1867), August Toepler (1865), J. Robert Voss (1880) och andra. De äldre maskinerna är mindre effektiva och uppvisar en oförutsägbar tendens att byta polaritet, medan Wimshurst-maskinen inte har någon defekt.
I en Wimshurst-maskin roterar de två isolerade skivorna och deras metallsektorer i motsatta riktningar och passerar de korsade metallneutraliseringsstängerna och deras borstar. En obalans av laddningar induceras, förstärks och samlas upp av två par metallkammar med punkter placerade nära ytorna på varje skiva. Dessa kollektorer är monterade på isolerande stöd och anslutna till utgångsterminalerna. Den positiva återkopplingen ökar de ackumulerande laddningarna exponentiellt tills luftens dielektriska genombrottsspänning uppnås och en elektrisk gnista hoppar över gapet.
Maskinen är teoretiskt sett inte självstartande, vilket innebär att om ingen av sektorerna på skivorna har någon elektrisk laddning, finns det inget som inducerar laddningar på andra sektorer. I praktiken räcker det med en liten restladdning på vilken sektor som helst för att starta processen när skivorna börjar rotera. Maskinen fungerar tillfredsställande endast i en torr atmosfär. Det krävs mekanisk kraft för att vända skivorna mot det elektriska fältet, och det är denna energi som maskinen omvandlar till gnistans elektriska kraft. Utsignalen från Wimshurst-maskinens stationära tillstånd är en likström (icke-växelström) som är proportionell mot den yta som täcks av metallsektorn, rotationshastigheten och en komplicerad funktion av den initiala laddningsfördelningen. Maskinens isolering och storlek bestämmer den maximala utspänningen som kan uppnås. Den ackumulerade gnistenergin kan ökas genom att lägga till ett par Leyden-burkar , en tidig typ av kondensator som lämpar sig för höga spänningar, med burkarnas inre plattor oberoende kopplade till var och en av utgångsterminalerna och burkarnas yttre plattor sammankopplade. En typisk Wimshurst-maskin kan producera gnistor som är ungefär en tredjedel av skivans diameter i längd och flera tiotals mikroampere.
Den tillgängliga spänningsförstärkningen kan förstås genom att notera att laddningstätheten på motsatt laddade sektorer, mellan neutraliseringsstavarna, är nästan likformig över sektorerna, och därmed vid låg spänning, medan laddningstätheten på samma laddade sektorer, närmar sig kollektorkammarna, toppar nära sektorkanterna, vid en följaktligen hög spänning i förhållande till de motsatta kollektorkamarna. [ citat behövs ]
Wimshurst-maskiner användes under 1800-talet i fysikforskning. De användes också ibland för att generera högspänning för att driva första generationens Crookes röntgenrör under de första två decennierna av 1900-talet, även om Holtz-maskiner och induktionsspolar var vanligare. Idag används de bara i vetenskapsmuseer och utbildning för att demonstrera principerna för elektrostatik.
Drift
De två kontraroterande isoleringsskivorna (vanligtvis gjorda av glas) har ett antal metallsektorer fastklistrade på dem. Maskinen är försedd med fyra små borstar (två på varje sida av maskinen på ledande axlar i 90° mot varandra), plus ett par laddningsuppsamlingskammar. De ledande axlarna, som håller borstarna på en typisk Wimshurst-maskin, skulle bilda formen av ett "X", om man kunde se genom de isolerande skivorna, eftersom de är vinkelräta mot varandra. Laddningsuppsamlingskammarna är typiskt monterade längs horisontalplanet och kontaktar lika mycket de yttre kanterna på både främre och bakre skivor. Samlingskammarna på varje sida är vanligtvis kopplade till respektive Leyden-burkar .
En liten laddning på någon av de två skivorna räcker för att påbörja laddningsprocessen. Antag därför att den bakre skivan har en liten, netto elektrostatisk laddning. För att vara konkret, antag att denna laddning är positiv (röd) och att den bakre skivan ([A] nedre kedjan) roterar moturs (höger till vänster). När den laddade sektorn (rörlig röd fyrkant) roterar till borstens position ([Y] nedåtpil) bredvid den främre skivan ([B] övre kedja nära mitten), inducerar den en polarisering av laddningen på den ledande axeln ([ Y-Y1] övre horisontella svarta linjen) som håller borsten och drar till sig negativ (grön) laddning till den närmaste sidan ([Y] övre kvadraten blir grön), så att positiv (röd) laddning samlas på den bortre sidan (över skivan, 180 grader bort) ([Y1] övre kvadraten blir röd). Axelns polariserade laddningar fäster vid de närmaste sektorerna på skiva B, vilket resulterar i negativ laddning på B [Y] närmare den ursprungliga positiva laddningen på A, och positiv laddning på motsatt sida av B [Y1]. Efter ytterligare 45° rotation ([Z] nära nedre kedjans mitt), stöts den positiva (röda) laddningen på A (undre kedja) bort av en positiv (röd) laddning på B ([Z] övre kedja) som närmar sig. Den första samlingskammen ([Z] pilspetsade linjer till trianglar) som påträffas tillåter både positiva (röda) laddningar att lämna sektorerna neutrala (rutorna blir svarta) och ackumuleras i Leyden-burkens anod (röd triangel) som attraheras av Leyden-burken katod (grön triangel). Laddningen fullbordar cykeln över skivorna när en gnista (gul sicksack) släpper ur Leyden-burken (röda och gröna trianglar).
När B roterar 90° medurs (vänster till höger), kommer laddningarna som har inducerats på den att hamna i linje med borstarna bredvid skiva A [X, X1]. Laddningarna på B inducerar motsatt polarisering av A-borstarnas skaft, och skaftets polarisation överförs till dess skiva. Skiva B fortsätter att rotera och dess laddningar ackumuleras av de närmaste ladduppsamlingskammarna.
Skiva A roterar 90° så att dess laddningar är i linje med borsten på skiva B [Y, Y1], där en motsatt laddningspolarisation induceras på B:s ledande axel och de närmaste sektorerna av B, liknande beskrivningen två stycken ovan. .
Processen upprepas, med varje laddningspolarisering på A som inducerar polarisering på B, inducerar polarisering på A, etc. "Inflytandet" av närliggande attraktiva sektorer inducerar exponentiellt större laddningar, tills de balanseras av den ledande axelns ändliga kapacitans. Alla dessa inducerade positiva och negativa laddningar samlas in av kammar för att ladda Leyden-burkarna, elektriska laddningslagringsenheter som liknar kondensatorer. Den mekaniska energin som krävs för att separera de motsatta laddningarna på de intilliggande sektorerna tillhandahåller energikällan för den elektriska uteffekten.
Se även
- " Historia om elektrostatiska generatorer ". Hans-Peter Mathematik Technick Algorithmick Linguistick Omnium Gatherum.
- de Queiroz, Antonio Carlos M., " The Wimshurst Electrostatic Machine "
- Weisstein, Eric W., " Wimshurst Machine ".
- Bossert, François, " Wimshurst-maskin ". Lycée Louis Couffignal, Strasbourg. ( Engelsk version)
- Charrier Jacques " La machine de Wimshurst ". Faculté des Sciences de Nantes.