ВИМСХУРСТ МАШИНА: ИСТОРИЈА, КАКО РАДИ И АПЛИКАЦИЈЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Вимсхурст машина је висок напон, низак напон електростатички генератор у стању да произведе статички електрицитет раздвајање оптужнице, захваљујући прелазу на ручице. С друге стране, тренутно коришћени генератори, попут батерија, алтернатора и динамова, прилично су извор електромоторне силе, изазивајући кретање набоја у затвореном кругу.

Машину Вимсхурст развио је британски инжењер и проналазач Џејмс Вимсхурст (1832-1903) између 1880. и 1883, побољшавајући верзије електростатичких генератора које су предложили други изумитељи.

Вимсхурст машина. Извор: Анди Динглеи (скенер)

Истиче се од претходних електростатичких машина својим поузданим, поновљивим радом и једноставном конструкцијом, способним да створи запањујућу разлику потенцијала између 90 000 и 100 000 волти.

Делови машине Вимсхурст

Основа машине су два карактеристична диска из изолационог материјала, са танким металним листовима причвршћеним и распоређеним у облику радијалних сектора.

Сваки метални сектор има другу дијаметрално супротну и симетричну. Дискови су обично пречника од 30 до 40 цм, али могу бити и много већи.

Оба диска су монтирана у вертикалној равнини и раздвојена су удаљености од 1 до 5 мм. Важно је да се дискови никада не додирују током окретања. Дискови се окрећу у супротним смеровима помоћу ременица.

Машина Вимсхурст има две металне шипке паралелне са равнином ротације сваког диска: једну према спољашњој страни првог диска и другу према спољашњем делу другог диска. Ове се шипке пресијецају под углом у односу једна на другу.

На крајевима сваке шипке налазе се металне четкице које на сваком диску остварују контакт са супротним металним секторима. Познате су као неутрализаторске шипке, с добрим разлогом о којима ће ускоро бити речи.

Четке задржавају електрични (метални) контакт са секцијом диска која додирује један крај шипке, са сектором дијаметрално супротним. Иста ствар се дешава и на другом албуму.

Трибоелектрични ефекат

Четке и сектори диска направљени су од различитих метала, готово увек бакра или бронце, док су сечићи дискова израђени од алуминијума.

Летећи контакт између њих док се дискови окрећу и накнадно одвајање ствара могућност размене набоја кроз пријањање. Ово је трибоелектрични ефекат, који се такође може појавити, на пример, међу комадом јантара и вуненом крпом.

Пар металних колектора (чешља) у облику слова У додаје се у машину металним врховима или шиљцима који се налазе у супротним позицијама.

Сектори оба диска пролазе кроз унутрашњи део колектора У, а да га не додирују. Колектори су монтирани на изолацијској основи и заузврат су повезани са две друге металне шипке које завршавају у сферама, близу, али не додирују ниједну.

Када се механичка енергија доводи до машине помоћу ручице, трење четкица производи трибоелектрични ефекат који раздваја набоје, након чега електрони већ раздвојени хватају колекторе и чувају у два уређаја која се називају боцама од Леиден.

Боца или врч Леиден кондензатор је са цилиндричним металним оквирима. Свака боца је централном плочом повезана са другом, формирајући два кондензатора у низу.

Окретањем ручице долази до тако велике разлике у електричном потенцијалу између сфера да се ваздух између њих јонизује и искре скаче. Комплетни уређај може се видети на горњој слици.

У машини Вимсхурст електрична енергија излази из материје која се састоји од атома. А они се састоје од електричних наелектрисања: негативних електрона и позитивних протона.

У атому су позитивно наелектрисани протони упаковани у центар или језгро, а негативно наелектрисани електрони око његовог језгра.

Када материјал изгуби неке од својих спољашњих електрона, постаје позитивно наелектрисан. Супротно томе, ако ухватите неке електроне, добићете нето негативан набој. Када је број протона и електрона једнак, материјал је неутралан.

У изолационим материјалима, електрони се задржавају око својих језгара без могућности да се превише залутају. Али у металима су језгра толико близу једна другој да најудаљенији електрони (или валенција) могу скакати са једног атома на други, крећући се кроз проводни материјал.

Ако се негативно наелектрисани предмет приближи једној од страна металне плоче, електрони метала се електростатичким одбојком одмичу, у овом случају на супротно лице. Каже се да је плоча поларизована.

Сада, ако је ова поларизована плоча повезана проводником (неутрализујућим шипкама) са своје негативне стране на другу плочу, електрони би се померили на ову другу плочу. Ако се веза нагло прекине, друга плоча је негативно напуњена.

Циклус оптерећења и складиштења

Да би се Вимсхурст машина покренула, један од металних сектора на диску мора да има дисбаланс оптерећења. То се догађа природно и често, посебно када је мало влаге.

Када се дискови почну вртети, наступиће време када се неутрални сектор супротног диска супротставља учитаном сектору. То индукује на њему набој једнаке величине и супротног смера захваљујући четкама, будући да се електрони одмичу или ближе, у складу са знаком сектора окренутом један према другом.

Шема Вимсхурст машине. Извор: РобертКухлманн

Колекционари у облику слова У одговорни су за сакупљање набоја када се дискови одбијају један од другог јер су набијени набојима истог знака, као што је приказано на слици, и складиште наведени набој у Леиден боце повезане с њима.

Да би се ово постигло, унутрашњи део У стрши врхове налик на чешљеве усмерене према спољним површинама сваког диска, али без додиривања истих. Идеја је да се позитиван набој концентрише на врховима, тако да се електрони избачени из сектора привлаче и накупљају у централној плочи боца.

На овај начин сектор окренут према колектору губи све своје електроне и остаје неутралан, док је централна плоча Леидена негативно набијена.

У супротном колектору догађа се супротно, колектор доставља електроне позитивној плочи која је окренута према њему док се не неутралише и процес се понавља непрекидно.

Примене и експерименти

Главна примена машине Вимсхурст је за добијање електричне енергије из сваког знака. Али он има недостатак што даје прилично неправилан напон, јер зависи од механичког активирања.

Угао неутрализаторске шипке може се мењати тако да се постави висока излазна струја или високи излазни напон. Ако су неутрализатори далеко од колектора, машина испоручује високи напон (до више од 100 кВ).

С друге стране, ако су близу колектора, излазни напон опада и излазна струја се повећава и може достићи до 10 микроампера при нормалним брзинама ротације.

Када акумулирани набој достигне довољно високу вриједност, тада се ствара високо електрично поље у сферама повезаним са средишњим плочама Леидена.

Ово поље јонизује ваздух и ствара искру, пражњењем боца и стварањем новог циклуса пуњења.

Експеримент 1

Ефекти електростатичког поља могу се проценити стављањем листа картона између сфера и посматрањем како искре праве рупе у њему.

Експеримент 2

За овај експеримент ће вам требати: клатно од куглице за пинг понг прекривено алуминијумском фолијом и два метална лима у облику слова Л.

Кугла је обешена на средини два листа помоћу изолационе жице. Сваки лист је спојен на електроде машине Вимсхурст кабловима са стезаљкама.

Како се ручица окреће, почетна неутрална кугла осцилира између лопатица. Један од њих имаће вишак негативног набоја који ће попустити лопти, а што ће привући позитиван лист.

Кугла ће на овај лист одложити свој вишак електрона, накратко ће се неутрализовати и циклус ће се понављати све док се ручица и даље не окреће.

Референце

1. Де Куеироз, А. Електростатичке машине. Опоравак од: цое.уфрј.бр
2. Гацановић, Мићо. 2010. Начела електростатичке примене. Опоравак од: орбус.бе