Wimshurstov generator ili elektroforski stroj je indukcijski elektrostatički uređaj dizajniran kao kontinuirani izvor električne energije. U 21. stoljeću koristi se kao pomoćna tehnika za demonstriranje fizičkih eksperimenata vezanih uz različite električne efekte i pojave.
Sadržaj
Malo povijesti izuma
Godine 1865. eksperimentalni fizičar iz Njemačke, August Tepler, razvio je konačne crteže elektroforskog stroja. Istodobno, drugo neovisno otkriće takve jedinice napravio je njemački znanstvenik Wilhelm Holz. Glavna razlika uređaja bila je mogućnost dobivanja veće snage i potencijalne razlike. Holtz se smatra tvorcem izvora istosmjerne električne struje.
Jednostavan početni dizajn stroja za elektrofore poboljšao je 1883. James Wimshurst iz Engleske.Njegova se modifikacija koristi u svim fizikalnim laboratorijima za vizualnu demonstraciju eksperimenata.
Dizajn elektroforskog stroja
2 koaksijalna diska rotiraju jedan naspram drugog, dok nose najjednostavnije kondenzatore iz aluminijskih sektora. Zbog slučajnih procesa, u primarnom trenutku nastaje naboj na mjestu jednog od segmenata. Fenomen je uzrokovan procesom trenja o zrak. Zbog simetričnosti dizajna nemoguće je unaprijed predvidjeti konačni znak.
Dizajn koristi 2 Leyden staklenke. Oni stvaraju jedan sustav od serijski spojenih kondenzatora. To ima učinak udvostručavanja zahtjeva za radnim naponom u svakom spremniku. Potrebno je odabrati iste ocjene, to je ključ za ujednačenu raspodjelu radnog napona.
Induktivni neutralizatori dizajnirani su za smanjenje napona. Cijela struktura podsjeća na metalni češalj koji lebdi na određenoj udaljenosti iznad diska. Oba diska s ekvivalentnim znakovima vanjske površine dolaze do točke uklanjanja naboja. Neutralizatori su upareni. Nakon istovara, naboj segmenata se uvelike smanjuje. U dodatnim izvedbama, četka lako dolazi u dodir s rubom diska.
Operater, koristeći snagu električnog pogona ili vlastitu ruku, na silu spaja odbojne elemente sustava. Naboji koji međusobno djeluju pokušavaju se smiriti što je dalje moguće. Proces pridonosi naglom povećanju gustoće površinskog naboja na svim točkama uklanjanja.
Struja se skuplja u leidenskim staklenkama s vrhova neutralizatora. Dolazi do brzog porasta napona.Iskrište pričvršćeno na 2 elektrode pomaže u izbjegavanju kvara sustava. Moguće je dobiti luk različite jačine podešavanjem udaljenosti između njih. Postoji odnos: što je jačina polja između 2 iskrišta, to je bučniji učinak koji prati proces pražnjenja Leidenskih posuda.
Segmenti ostaju prazni nakon točke uklanjanja naboja. Nizvodno se ugrađuju izjednačavači potencijala ili neutralizatori prema principu rada. Svaka suprotna strana diska već je dala naboj različitim kistovima. U trenutku prolaska kroz točku preuzimanja i nakon nje, znakovi preostalog naboja su različiti.
Komad debele bakrene žice s četkama od najtanjih žica koje lebde na maloj visini ili trljajućim segmentima doprinose zatvaranju ovih suprotnosti. Rezultat - naboji na oba segmenta jednaki su nuli, sva energija se pretvara prema Joule-Lenzovom zakonu u toplinu koja nastaje na zadebljanoj bakrenoj jezgri.
Što su banke Leidena
Prvi električni kondenzator koji su stvorili nizozemski znanstvenici Pieter van Muschenbroek bio je Leydenski staklen. Izumljeni kondenzator ima oblik cilindra sa širokim ili srednjim vratom različitih promjera. Leydenska staklenka izrađena je od stakla. Iznutra i izvana se oblijepi posebnim limom. Proizvod je prekriven drvenim poklopcem. Glavna funkcija izuma je akumulacija i pohranjivanje velikih naboja.
Stvaranje takve banke potaknuto je širokim proučavanjem električne energije, opće brzine njezine distribucije, kao i svojstava električne vodljivosti različitih materijala. Zahvaljujući njoj, prvi put je bilo moguće umjetno proizvesti električnu iskru.Sada se Leiden limenke koriste samo kao sastavni dio elektroforskih strojeva.
Koji je princip rada elektrofornog stroja
Od snage operatera uzima se energija za promjenu znakova. Već između ekvilajzera i četkica, diskovi se međusobno odbijaju jedan prema drugome. Broj okretaja u minuti igra ulogu. Povećana gustoća naboja. Najjači naboj suprotnih diskova gura ostatke kroz duljine bakrene žice. Iz toga slijedi energija dovoljna za promjenu predznaka.
Povećanjem površinske gustoće naboj se uklanja iz uređaja. U jednoj točki, rezerve energije se prave u Leidenskoj banci, drugo mjesto služi za promjenu znaka. Indukcijski neutralizatori praktički nemaju razlike. Oboje obavljaju zajedničku funkciju neutraliziranja energije. Opća shema:
- Postoje 2 vrste kondenzatora u dizajnu: Leidenske banke u kojima se nakuplja naboj i kombinacija segmenta oba diska s dielektričnim i aluminijskom oblogom.
- Postoje 2 vrste neutralizatora koji smanjuju naboj aluminijskih segmenata. Prvi se koristi za promjenu predznaka ili polarizacije, drugi za punjenje Leydenske posude.
Sva energija ne dolazi od trenja aluminija i bakra ili elektrifikacije zraka. Nastaje prisilnim punjenjem kondenzatora torzijskom silom diska. Svi se procesi provode zbog naglog povećanja gustoće površinskog naboja na mjestima uklanjanja.
Primjena elektroforskog stroja
Od 70-ih godina. Wimshurst stroj se ne koristi za izravnu proizvodnju električne energije.Danas djeluje kao povijesni eksponat koji ilustrira povijest nastanka i razvoja znanstveno-tehnološkog napretka i inženjerstva. Laboratorijska demonstracija, za koju je stvoren elektroforski stroj, prikazuje različite pojave i učinke električne energije.
Prihvatljivo je koristiti indukcijske neutralizatore koji uklanjaju naboje iz tekućih dielektrika, poput ulja. Opasno je dobiti iskru u zraku u bilo kojoj proizvodnji, to može dovesti do katastrofalnih posljedica, dima, pa čak i eksplozije.
Povijest otkrića i istraživanja u području električne energije usko je povezana s korištenjem različitih struktura i uređaja za dobivanje električnih naboja. Elektroforski stroj odigrao je svoju ulogu u znanstvenim istraživanjima čije se djelovanje temelji na pobuđivanju električne struje uslijed indukcije.
Slični članci:
