УИМШЪРСТ МАШИНА: ИСТОРИЯ, КАК РАБОТИ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Машината Wimshurst е електростатичен генератор с високо напрежение и нисък ампераж, способен да произвежда статично електричество чрез отделяне на зарядите, благодарение на завъртането на манивела. От друга страна, използваните в момента генератори като батерии, алтернатори и динамове са по-скоро източници на електромоторна сила, причинявайки движение на заряди в затворен кръг.

Машината Wimshurst е разработена от британския инженер и изобретател Джеймс Уимсхърст (1832-1903) между 1880 и 1883 г., като подобрява версиите на електростатични генератори, предложени от други изобретатели.

Уимшърст машина. Източник: Анди Дингли (скенер)

Той се откроява пред предишните електростатични машини заради надеждната си, възпроизводима работа и простата конструкция, като е в състояние да генерира потресаваща разлика в потенциала между 90 000 и 100 000 волта.

Части на машината Wimshurst

Основата на машината са двата характерни диска с изолационен материал, с прикрепени тънки метални листове и подредени под формата на радиални сектори.

Всеки метален сектор има друг диаметрално противоположен и симетричен. Дисковете обикновено са с диаметър между 30 и 40 см, но могат да бъдат и много по-големи.

И двата диска са монтирани във вертикална равнина и са разделени на разстояние между 1 до 5 мм. Важно е дисковете никога да не пипат по време на въртене. Дисковете се завъртат в противоположни посоки с помощта на шайбен механизъм.

Машината Wimshurst има два метални пръта, успоредни на равнината на въртене на всеки диск: едната към външната страна на първия диск, а другата към външната страна на втория диск. Тези пръти се пресичат под ъгъл по отношение една на друга.

Краищата на всяка щанга имат метални четки, които осъществяват контакт с противоположни метални сектори на всеки диск. Те са известни като неутрализаторни пръчки, по уважителна причина, които ще бъдат обсъдени скоро.

Четките поддържат електрически (метален) контакт с сектора на диска, който докосва единия край на лентата, със сектора, диаметрално противоположен. Същото се случва и с другия албум.

Трибоелектричният ефект

Четките и секторите на диска са изработени от различни метали, почти винаги мед или бронз, докато остриетата на дисковете са от алуминий.

Мимолетният контакт между тях, докато дисковете се въртят и последващото разделяне, създава възможност за обмен на заряди чрез сцепление. Това е трибоелектричният ефект, който може да възникне и между парче кехлибар и вълнен плат например.

Чифт U-образни метални колектори (гребени) се добавят към машината с метални накрайници или шипове, разположени в противоположни позиции.

Секторите на двата диска преминават през вътрешната част на колектора U, без да го докосват. Колекторите са монтирани върху изолационна основа и от своя страна са свързани с други две метални пръти, завършващи в сфери, затворени, но не докосващи нито едното.

Когато механичната енергия се подава към машината с помощта на манивела, триенето на четките произвежда трибоелектричния ефект, който разделя зарядите, след което вече отделените електрони се улавят от колекторите и се съхраняват в две устройства, наречени бутилки от Лейдън.

Бутилката или кана Leyden е кондензатор с цилиндрични метални рамки. Всяка бутилка е свързана с другата чрез централната плоча, образувайки последователно два кондензатора.

Завъртането на манивелата произвежда толкова голяма разлика в електрическия потенциал между сферите, че въздухът между тях йонизира и искрата скача. Цялото устройство може да се види на изображението по-горе.

В машината на Уимсхърст електричеството излиза от материята, която се състои от атоми. А те от своя страна са съставени от електрически заряди: отрицателни електрони и положителни протони.

В атома положително заредените протони са опаковани в центъра или ядрото, а отрицателно заредените електрони около ядрото му.

Когато материал загуби някои от най-външните си електрони, той се зарежда положително. И обратно, ако улавите някои електрони, получавате нетен отрицателен заряд. Когато броят на протоните и електроните е равен, материалът е неутрален.

В изолационните материали електроните се задържат около своите ядра, без способността да се разминават твърде далеч. Но в металите ядрата са толкова близо една до друга, че най-външните електрони (или валентност) могат да скачат от един атом на друг, движейки се по целия проводим материал.

Ако отрицателно зареден обект се приближи до една от повърхностите на метална плоча, тогава електроните на метала се отдалечават чрез електростатично отблъскване, в този случай към противоположната страна. След това се казва, че плочата е станала поляризирана.

Сега, ако тази поляризирана плоча е свързана от проводник (неутрализиращи пръти) от отрицателната й страна към друга плоча, електроните биха се преместили към тази втора плоча. Ако връзката внезапно се прекъсне, втората плоча се зарежда отрицателно.

Цикъл на натоварване и съхранение

За да се стартира машината Wimshurst, един от металните сектори на диска трябва да има дисбаланс на натоварването. Това се случва естествено и често, особено когато има малка влажност.

Когато дисковете започнат да се въртят, ще настъпи момент, когато неутрален сектор на противоположния диск се противопостави на заредения сектор. Това предизвиква върху него заряд с еднаква величина и противоположна посока благодарение на четките, тъй като електроните се отдалечават или по-близо, според знака на сектора, обърнат.

Схема на машината Wimshurst. Източник: RobertKuhlmann

U-образните колектори са отговорни за събирането на заряда, когато дисковете се отблъскват един друг, тъй като те са заредени с такси със същия знак, както е показано на фигурата, и съхраняват споменатия заряд в свързаните към тях бутилки Leyden.

За да се постигне това, вътрешната част на U стърчи гребеновидни върхове, насочени към външните страни на всеки диск, но без да се докосва до тях. Идеята е позитивният заряд да се концентрира върху накрайниците, така че електроните, изгонени от секторите, да бъдат привлечени и да се натрупват в централната плоча на бутилките.

По този начин секторът, обърнат към колектора, губи всичките си електрони и остава неутрален, докато централната плоча на Лайден е отрицателно заредена.

В противоположния колектор се случва точно обратното, колекторът доставя електрони до положителната плоча, която е изправена до него, докато не се неутрализира и процесът се повтаря непрекъснато.

Приложения и експерименти

Основното приложение на машината Wimshurst е да получава електричество от всеки знак. Но той има недостатъка, че доставя доста неправилно напрежение, тъй като зависи от механичното задействане.

Ъгълът на неутрализаторните пръти може да варира, за да се зададе висок изходен ток или високо изходно напрежение. Ако неутрализаторите са далеч от колекторите, машината доставя високо напрежение (до повече от 100 kV).

От друга страна, ако те са близо до колекторите, изходното напрежение намалява и изходният ток се увеличава и може да достигне до 10 микроампера при нормални скорости на въртене.

Когато натрупаният заряд достигне достатъчно висока стойност, тогава се произвежда високо електрическо поле в сферите, свързани с централните плочи на Лейден.

Това поле йонизира въздуха и произвежда искрата, освобождавайки бутилките и поражда нов цикъл на зареждане.

Експеримент 1

Ефектите от електростатичното поле могат да се оценят, като се постави лист картон между сферите и се наблюдава, че искрите правят дупки в него.

Експеримент 2

За този експеримент ще ви трябва: махало, изработено от топка за пинг-понг, покрито с алуминиево фолио и две метални листове с форма на L.

Топката е окачена в средата на двата листа с помощта на изолационна жица. Всеки лист е свързан към електродите на машината Wimshurst чрез кабели със скоби.

При завъртане на манивелата първоначално неутралната топка ще се колебае между лопатките. Единият от тях ще има излишък от отрицателен заряд, който ще отстъпи на топката, която ще бъде привлечена от положителния лист.

Топката ще депозира излишните си електрони върху този лист, за кратко ще се неутрализира и цикълът ще се повтори отново, докато манивелата продължава да се върти.

Препратки

1. De Queiroz, А. Електростатични машини. Възстановени от: coe.ufrj.br
2. Гачанович, Мико. 2010. Принципи на електростатично приложение. Възстановено от: orbus.be