WIMSHURST STROJ: ZGODOVINA, KAKO DELUJE IN APLIKACIJE - FIZIČNO - 2026

Wimshurst Stroj je visoka napetost, nizka jakost toka elektrostatični generator, ki omogoča izdelavo statične elektrike z ločevanjem pristojbin, zahvaljujoč zasuku ročice. Po drugi strani so trenutno uporabljeni generatorji, kot so baterije, alternatorji in dinam, precej viri elektromotorne sile, ki povzročajo premike nabojev v zaprtem krogu.

Stroj Wimshurst je med letoma 1880 in 1883 razvil britanski inženir in izumitelj James Wimshurst (1832-1903) in izboljšal različice elektrostatičnih generatorjev, ki so jih predlagali drugi izumitelji.

Wimshurst stroj. Vir: Andy Dingley (optični bralnik)

Izstopa nad prejšnjimi elektrostatičnimi stroji zaradi svojega zanesljivega, ponovljivega delovanja in preproste konstrukcije, saj lahko ustvari osupljivo razliko potenciala med 90.000 in 100.000 voltov.

Deli strojev Wimshurst

Osnova stroja sta dva značilna diska iz izolacijskega materiala, pritrjena s tankimi pločevinami in oblikovana v obliki radialnih sekcij.

Vsak kovinski sektor ima še eno diametralno nasprotno in simetrično. Diski so običajno premera 30 do 40 cm, lahko pa so tudi veliko večji.

Oba diska sta nameščena v navpični ravnini in sta ločena z razdaljo med 1 in 5 mm. Pomembno je, da se diski med vrtenjem nikoli ne dotikajo. Diski se vrtijo v nasprotnih smereh s pomočjo jermenice.

Stroj Wimshurst ima dve kovinski palici vzporedno z ravnino vrtenja vsakega diska: eno proti zunanji strani prvega diska in drugo proti zunanji strani drugega diska. Te palice sekajo pod kotom glede na drugo.

Na koncih vsake palice so kovinske ščetke, ki na vsakem disku vzpostavijo stik z nasprotnimi kovinskimi sektorji. So znane kot nevtralizatorske palice, z dobrim razlogom, o katerih bomo razpravljali v kratkem.

Krtače ostanejo v električnem (kovinskem) stiku s sektorjem diska, ki se dotika enega konca palice, s sektorom, diametralno nasprotno. Enako se dogaja na drugem albumu.

Triboelektrični učinek

Krtače in sektorji diska so narejeni iz različnih kovin, skoraj vedno bakra ali brona, rezila diskov pa iz aluminija.

Med hitrim stikom med njimi, ko se koluti vrtijo, in posledičnim ločevanjem se ustvarja možnost izmenjave nabojev s pomočjo oprijema. To je triboelektrični učinek, ki se lahko pojavi tudi na primer med kosom jantarja in volneno krpo.

Par kovinskih zbiralnikov (glavnikov) v obliki črke U je dodan stroju s kovinskimi konicami ali konicami, nameščenimi v nasprotnih položajih.

Sektorja obeh plošč sta skozi notranji del zbiralnika U, ne da bi se ga dotaknili. Kolektorji so nameščeni na izolacijski podlagi in so po drugi strani povezani z dvema kovinskima palicama, ki se končata v kroglah, tesno, vendar se ne dotikata niti enega.

Ko mehansko energijo v stroj dovajamo s pomočjo ročice, trenje ščetk povzroči triboelektrični učinek, ki loči naboje, po katerem se zbiralci že ločijo elektroni in jih shranijo v dve napravi, imenovani steklenice Leyden.

Steklenica ali vrč Leyden je kondenzator s cilindričnimi kovinskimi okvirji. Vsaka steklenica je na drugi povezana z osrednjo ploščo, ki tvori zaporedno dva kondenzatorja.

Z obračanjem ročice nastane tako velika razlika v električnem potencialu med kroglami, da se zrak med njimi ionizira in skoči iskre. Celotno napravo si lahko ogledate na zgornji sliki.

V stroju Wimshurst elektrika izhaja iz materije, ki jo sestavljajo atomi. Ti pa so sestavljeni iz električnih nabojev: negativnih elektronov in pozitivnih protonov.

V atomu so pozitivno nabiti protoni v središču ali jedru, negativno nabiti elektroni pa okoli njenega jedra.

Ko material izgubi nekaj svojih najbolj zunanjih elektronov, postane pozitivno nabit. Če obratno zajamete nekaj elektronov, dobite neto negativni naboj. Ko je število protonov in elektronov enako, je material nevtralen.

V izolacijskih materialih se elektroni zadržujejo okrog svojih jeder, ne da bi lahko preveč odleteli. Toda v kovinah so jedra tako blizu drug drugemu, da lahko najbolj oddaljeni elektroni (ali valenca) skačejo iz enega atoma na drugega in se gibljejo po prevodnem materialu.

Če se negativno nabit predmet približa eni od ploskev kovinske plošče, se elektroni kovine oddaljujejo z elektrostatičnim odbojom, v tem primeru do nasprotne strani. Nato naj bi plošča postala polarizirana.

Zdaj, če bi to polarizirano ploščo s prevodnikom (nevtralizacijskimi palicami) na svoji negativni strani povezali z drugo ploščo, bi se elektroni premaknili na to drugo ploščo. Če se povezava nenadoma prekine, je druga plošča negativno napolnjena.

Cikel nalaganja in shranjevanja

Za zagon stroja Wimshurst mora eden od kovinskih sektorjev na disku imeti neravnovesje obremenitve. To se dogaja naravno in pogosto, zlasti kadar je malo vlage.

Ko se diski začnejo vrteti, bo prišel čas, ko nevtralen sektor nasprotnega diska nasprotuje naloženemu sektorju. To sproži na njej enakomerno velikost in nasprotno nagib zahvaljujoč ščetkam, saj se elektroni premaknejo stran ali bližje, v skladu z znakom obrnjenega sektorja.

Shema stroja Wimshurst. Vir: RobertKuhlmann

Zbiralci v obliki črke U so odgovorni za zbiranje naboja, ko se diski odbijajo, ker so napolnjeni z istim znakom, kot je prikazano na sliki, in shranjevanje napolnjenega v Leydenovih steklenicah, povezanih z njimi.

Da bi to dosegli, notranji del U štrli v obliki glavnika, usmerjenega proti zunanjim ploskvam vsakega diska, vendar ne da bi se jih dotikal. Ideja je, da se pozitiven naboj osredotoči na konice, tako da se v osrednji plošči steklenic privlačijo in se kopičijo elektroni iz sektorjev.

Na ta način sektor, ki je obrnjen proti zbiralniku, izgubi vse svoje elektrone in ostane nevtralen, medtem ko je osrednja plošča Leydena negativno napolnjena.

V nasprotnem kolektorju se zgodi ravno obratno, kolektor odda elektrone na pozitivno ploščo, ki je obrnjena proti njemu, dokler se ne nevtralizira in postopek se ponavlja nenehno.

Prijave in poskusi

Glavna uporaba stroja Wimshurst je pridobivanje električne energije iz vsakega znaka. Ima pa slabost, da napaja precej nepravilno napetost, saj je odvisna od mehanskega aktiviranja.

Kot nevtralizatorskih palic lahko spreminjate tako, da nastavite visok izhodni tok ali visoko izhodno napetost. Če so nevtralizatorji daleč od kolektorjev, stroj odda visoko napetost (do več kot 100 kV).

Če so blizu kolektorjev, se izhodna napetost zmanjša, izhodni tok pa poveča do 10 mikroamperov pri običajnih vrtilnih hitrostih.

Ko akumulirani naboj doseže dovolj visoko vrednost, se v kroglah, povezanih s centralnimi ploščicami Leydna, ustvari visoko električno polje.

To polje ionizira zrak in ustvari iskrico, izprazni steklenice in ustvari nov cikel polnjenja.

Preizkus 1

Učinke elektrostatičnega polja lahko razberemo tako, da med kroglice položimo list kartona in opazujemo, da iskre delajo luknje v njem.

Preizkus 2

Za ta poskus boste potrebovali: nihalo iz kroglice za ping pong, prekrito z aluminijasto folijo, in dve kovinski pločevini v obliki črke L.

Kroglico obesimo na sredino obeh listov s pomočjo izolacijske žice. Vsak list je s kabli z objemkami povezan z elektrodami stroja Wimshurst.

Ko je ročica obrnjena, bo prvotno nevtralna krogla nihala med lopaticama. Eden od njih bo imel presežek negativnega naboja, ki bo prinesel žogo, ki jo bo pritegnil pozitivni list.

Kroglica bo odlagala svoje odvečne elektrone na tem listu, na kratko se bo nevtralizirala in cikel se bo ponovil, dokler se ročica še naprej vrti.

Reference

1. De Queiroz, A. Elektrostatični stroji. Pridobljeno od: coe.ufrj.br
2. Gacanović, Mico. 2010. Načela elektrostatične uporabe. Pridobljeno: orbus.be