MAȘINA WIMSHURST: ISTORIC, MODUL DE FUNCȚIONARE ȘI APLICAȚII - FIZIC - 2025

Mașina Wimshurst este un generator electrostatic de înaltă tensiune, cu amperaj scăzut, capabil să producă electricitate statică prin separarea sarcinilor, datorită virajului unei manivele. Pe de altă parte, generatoarele utilizate în prezent, cum ar fi bateriile, alternatoarele și dinamurile sunt mai degrabă surse de forță electromotivă, provocând mișcări de încărcare într-un circuit închis.

Mașina Wimshurst a fost dezvoltată de către inginerul și inventatorul britanic James Wimshurst (1832-1903) între 1880 și 1883, îmbunătățind versiunile generatoarelor electrostatice propuse de alți inventatori.

Mașină Wimshurst. Sursa: Andy Dingley (scaner)

Se remarcă prin mașinile electrostatice anterioare pentru funcționarea sa fiabilă, reproductibilă și construcția simplă, fiind capabile să genereze o diferență de potențial uimitor între 90.000 și 100.000 volți.

Piese de mașină Wimshurst

Baza utilajului sunt cele două discuri caracteristice de material izolant, cu foi subțiri de metal atașate și dispuse sub formă de sectoare radiale.

Fiecare sector metalic are un alt diametral opus și simetric. Discurile au de obicei diametrul cuprins între 30 și 40 cm, dar pot fi și mult mai mari.

Ambele discuri sunt montate pe un plan vertical și sunt separate printr-o distanță între 1 până la 5 mm. Este important ca discurile să nu atingă niciodată în timpul rotirii. Discurile sunt rotite în direcții opuse cu ajutorul unui mecanism de scripete.

Mașina Wimshurst are două bare metalice paralele cu planul de rotație al fiecărui disc: una spre exteriorul primului disc și cealaltă spre exteriorul celui de-al doilea disc. Aceste bare se intersectează într-un unghi unul față de celălalt.

Capetele fiecărei bare au perii metalice care fac contact cu sectoarele metalice opuse pe fiecare disc. Sunt cunoscute sub numele de bare de neutralizare, dintr-un motiv întemeiat care va fi discutat în scurt timp.

Periile țin în contact electric (metalic) sectorul discului care atinge un capăt al barei, cu sectorul diametral opus. Același lucru se întâmplă și pe celălalt album.

Efectul triboelectric

Periile și sectoarele discului sunt realizate din metale diferite, aproape întotdeauna din cupru sau bronz, în timp ce lamele discurilor sunt din aluminiu.

Contactul trecător între ele în timp ce discurile se rotesc și separarea ulterioară, creează posibilitatea schimbului de sarcini prin aderență. Acesta este efectul triboelectric, care poate apărea și între o bucată de chihlimbar și o pânză de lână, de exemplu.

La mașină se adaugă o pereche de colectoare metalice în formă de U (piepteni) cu vârfuri sau vârfuri metalice, amplasate în poziții opuse.

Sectoarele ambelor discuri trec prin partea internă a colectorului U fără a o atinge. Colectorii sunt montați pe o bază izolatoare și, la rândul lor, sunt conectați la alte două bare metalice care se termină în sfere, închizându-se, dar fără a atinge niciuna.

Când energia mecanică este furnizată mașinii cu ajutorul manivelei, frecarea periilor produce efectul triboelectric care separă sarcinile, după care electronii deja separați sunt captați de colector și depozitați în două dispozitive numite sticle de Leyden.

Sticla sau ulciorul Leyden este un condensator cu rame metalice cilindrice. Fiecare flacon este conectat la cealaltă de către placa centrală, formând doi condensatori în serie.

Rotirea manivelei produce o diferență atât de mare de potențial electric între sferele încât aerul dintre ele ionizează și o scânteie sare. Dispozitivul complet poate fi văzut în imaginea de mai sus.

În mașina Wimshurst, energia electrică iese din materie, care este formată din atomi. Iar acestea la rândul lor sunt formate din sarcini electrice: electroni negativi și protoni pozitivi.

În atom protonii încărcați pozitiv sunt împachetate în centru sau nucleu și electronii încărcați negativ în jurul nucleului său.

Când un material își pierde o parte din electronii cei mai exteriori, acesta se încarcă pozitiv. În schimb, dacă capturați unii electroni, primiți o încărcare netă negativă. Când numărul protonilor și electronilor este egal, materialul este neutru.

În materialele izolante, electronii rămân în jurul nucleelor ​​lor fără capacitatea de a rătăci prea departe. Dar în metale nucleele sunt atât de aproape unul de celălalt, încât electronii cei mai exteriori (sau valența) pot sări de la un atom la altul, mișcându-se pe întregul material conductor.

Dacă un obiect încărcat negativ se apropie de una dintre fețele unei plăci metalice, atunci electronii metalului se îndepărtează prin repulsie electrostatică, în acest caz spre fața opusă. Se spune că placa a devenit polarizată.

Acum, dacă această placă polarizată este conectată de un conductor (bare de neutralizare) pe partea sa negativă la o altă placă, electronii s-ar muta pe această a doua placă. Dacă conexiunea este tăiată brusc, a doua placă este încărcată negativ.

Ciclul de încărcare și depozitare

Pentru ca aparatul Wimshurst să poată fi pornit, unul dintre sectoarele metalice de pe disc trebuie să aibă un dezechilibru de încărcare. Acest lucru se întâmplă în mod natural și frecvent, în special atunci când există o umiditate mică.

Când discurile încep să se rotească, va veni un moment în care un sector neutru al discului opus se opune sectorului încărcat. Acest lucru induce asupra acesteia o încărcătură de mărime egală și direcție opusă datorită periilor, deoarece electronii se îndepărtează sau se apropie, în funcție de semnul sectorului orientat.

Schema mașinii Wimshurst. Sursa: RobertKuhlmann

Colectorii în formă de U sunt responsabili de colectarea taxei atunci când discurile se repulsie unul pe celălalt, deoarece sunt taxate cu aceleași semne, așa cum se arată în figură, și depozitează taxa menționată în sticlele Leyden conectate la ele.

Pentru a obține acest lucru, partea internă a U iese pe vârfuri asemănătoare pieptenei direcționate către fețele externe ale fiecărui disc, dar fără a le atinge. Ideea este că încărcarea pozitivă se concentrează pe vârfuri, astfel încât electronii expulzați din sectoare să fie atrași și să se acumuleze în placa centrală a sticlelor.

În acest fel, sectorul aflat în fața colectorului își pierde toți electronii și rămâne neutru, în timp ce placa centrală a Leydenului este încărcată negativ.

În colectorul opus se întâmplă opusul, colectorul livrează electroni pe placa pozitivă care îl înfruntă până când este neutralizat și procesul se repetă continuu.

Aplicații și experimente

Principala aplicație a mașinii Wimshurst este obținerea de energie electrică din fiecare semn. Dar are dezavantajul că furnizează o tensiune destul de neregulată, deoarece depinde de acționarea mecanică.

Unghiul barelor de neutralizare poate fi variat pentru a seta curentul de ieșire mare sau tensiunea de ieșire ridicată. Dacă neutralizatoarele sunt departe de colectoare, mașina furnizează o tensiune înaltă (până la peste 100 kV).

Pe de altă parte, dacă sunt aproape de colectoare, tensiunea de ieșire scade și curentul de ieșire crește, putând atinge până la 10 microampere la viteze de rotație normale.

Atunci când încărcarea acumulată atinge o valoare suficient de mare, atunci un câmp electric ridicat este produs în sferele conectate la plăcile centrale ale Leyden-ului.

Acest câmp ionizează aerul și produce scânteia, descărcând sticlele și dând naștere unui nou ciclu de încărcare.

Experimentul 1

Efectele câmpului electrostatic pot fi apreciate prin plasarea unei foi de carton între sfere și observarea faptului că scânteile fac găuri în el.

Experimentul 2

Pentru acest experiment vei avea nevoie de: un pendul format dintr-o bilă de ping pong acoperită cu folie de aluminiu și două foi de metal în formă de L.

Mingea este atârnată în mijlocul celor două foi cu ajutorul unui fir izolant. Fiecare foaie este conectată la electrozii mașinii Wimshurst prin cabluri cu cleme.

Pe măsură ce manivela este rotită, mingea inițial neutră va oscila între lame. Unul dintre ei va avea un exces de sarcină negativă care va ceda la minge, care va fi atras de foaia pozitivă.

Mingea își va depune excesul de electroni pe această foaie, va fi scurt neutralizată și ciclul se va repeta din nou, atât timp cât manivela continuă să se rotească.

Referințe

1. De Queiroz, A. Mașini electrostatice. Recuperat din: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Principii de aplicare electrostatică. Recuperat din: orbus.be