Wimshurstov generator ali elektroforni stroj je indukcijska elektrostatična naprava, zasnovana kot neprekinjen vir električne energije. V 21. stoletju se uporablja kot pomožna tehnika za prikaz fizikalnih poskusov, povezanih z različnimi električnimi učinki in pojavi.
Vsebina
Malo zgodovine izuma
Leta 1865 je nemški eksperimentalni fizik August Tepler razvil končne risbe elektroforskega stroja. Hkrati je nemški znanstvenik Wilhelm Holz naredil drugo neodvisno odkritje takšne enote. Glavna razlika naprave je bila sposobnost pridobivanja večje moči in potencialne razlike. Holtz velja za ustvarjalca vira enosmernega električnega toka.
Enostavno prvotno zasnovo elektrofornega stroja je leta 1883 izboljšal James Wimshurst iz Anglije.Njegova modifikacija se uporablja v vseh fizikalnih laboratorijih za vizualno demonstracijo poskusov.
Zasnova elektroforskega stroja
2 koaksialna diska se vrtita drug proti drugemu, medtem ko nosita najpreprostejše kondenzatorje iz aluminijastih sektorjev. Zaradi naključnih procesov v primarnem trenutku nastane naboj na mestu enega od segmentov. Pojav je posledica procesa trenja ob zrak. Zaradi simetrije zasnove je nemogoče vnaprej predvideti končni znak.
Zasnova uporablja 2 kozarca Leyden. Ustvarjajo en sam sistem iz serijsko povezanih kondenzatorjev. To ima za posledico podvojitev zahtev za delovno napetost v vsakem rezervoarju. Treba je izbrati enake ocene, to je ključ do enakomerne porazdelitve delovne napetosti.
Induktivni nevtralizatorji so zasnovani za razbremenitev napetosti. Celotna struktura je podobna kovinskemu glavniku, ki lebdi na neki razdalji nad diskom. Oba diska z enakovrednimi znaki zunanje površine prideta do točke odstranjevanja naboja. Nevtralizatorji so seznanjeni. Po razkladanju se naboj segmentov močno zmanjša. Pri dodatnih izvedbah krtača zlahka pride v stik z robom diska.
Operater s pomočjo električnega pogona ali lastne roke na silo združuje odbijajoče elemente sistema. Naboji, ki medsebojno delujejo, se poskušajo umiriti, kolikor je mogoče. Postopek prispeva k močnemu povečanju gostote površinskega naboja na vseh mestih odstranjevanja.
Električna energija se zbira v leidenskih kozarcih z grebenov nevtralizatorjev. Napetost se hitro dvigne.Iskriška reža, pritrjena na 2 elektrodi, pomaga preprečiti okvaro sistema. S prilagajanjem razdalje med njima je mogoče dobiti lok različne moči. Obstaja povezava: močnejša kot je moč polja med dvema iskrima, bolj hrupni je učinek, ki spremlja proces praznjenja kozarcev Leiden.
Segmenti ostanejo prazni mimo točke odstranitve naboja. V nadaljevanju so po principu delovanja nameščeni potencialni izenačevalniki ali nevtralizatorji. Vsaka nasprotna stran diska je že napolnila različne ščetke. V trenutku prehoda skozi prevzemno točko in po njej so znaki preostalega naboja različni.
Kos debele bakrene žice s ščetkami najtanjših žic, ki lebdijo na nizki višini, ali segmenti za drgnjenje prispevajo k zaprtju teh nasprotij. Rezultat - naboji na obeh segmentih so enaki nič, vsa energija se po Joule-Lenzovem zakonu pretvori v toploto, ki nastane na odebeljenem bakrenem jedru.
Kaj so banke Leidna
Prvi električni kondenzator, ki ga je ustvaril nizozemski znanstvenik Pieter van Muschenbroek, je bil leydenski kozarec. Izumljeni kondenzator ima obliko valja s širokim ali srednjim vratom različnih premerov. Leydenski kozarec je izdelan iz stekla. Od znotraj in zunaj je oblepljen s posebnim pločevinastim pločevinom. Izdelek je pokrit z lesenim pokrovom. Glavna funkcija izuma je kopičenje in shranjevanje velikih nabojev.
Ustvarjanje takšne banke je spodbudilo obsežno preučevanje električne energije, splošne hitrosti njene distribucije, pa tudi lastnosti električne prevodnosti različnih materialov. Zahvaljujoč njej je bilo prvič mogoče umetno proizvesti električno iskro.Zdaj se pločevinke Leiden uporabljajo le kot sestavni del elektrofornih strojev.
Kakšen je princip delovanja elektrofornega stroja
Iz moči operaterja se vzame energija za spremembo znakov. Že med izenačevalniki in krtačami se diski premikajo z medsebojnim odbijanjem drug proti drugemu. Število vrtljajev na minuto igra vlogo. Povečana gostota naboja. Najmočnejši naboj nasprotnih diskov potisne ostanke skozi dolžine bakrene žice. Iz tega sledi energija, ki zadostuje za spremembo predznaka.
S povečanjem površinske gostote se naboj odstrani iz naprave. Na eni točki se v Leidenskem bregu ustvarijo rezerve energije, drugo mesto služi za spremembo znaka. Indukcijski nevtralizatorji praktično nimajo razlik. Oba opravljata skupno funkcijo nevtralizacije energije. Splošna shema:
- V zasnovi sta 2 vrsti kondenzatorjev: leidenske banke, kjer se nabira naboj, in kombinacija segmenta obeh diskov z dielektričnim in aluminijasto oblogo.
- Obstajata 2 vrsti nevtralizatorjev, ki zmanjšujeta naboj aluminijastih segmentov. Prvi se uporablja za spremembo predznaka ali polarizacije, drugi za polnjenje kozarca Leyden.
Vsa energija ne izvira iz trenja aluminija in bakra ali elektrifikacije zraka. Ustvarja se tako, da se kondenzatorji na silo polnijo z torzijsko silo diska. Vsi procesi se izvajajo zaradi močnega povečanja gostote površinskega naboja na mestih odstranjevanja.
Uporaba elektroforskega stroja
Od 70. let. stroj Wimshurst se ne uporablja za neposredno proizvodnjo električne energije.Danes deluje kot zgodovinska razstava, ki ponazarja zgodovino nastanka in razvoja znanstvenega in tehnološkega napredka ter tehnike. Laboratorijska demonstracija, za katero je ustvarjen elektroforni stroj, prikazuje različne pojave in učinke elektrike.
Sprejemljivo je uporabljati indukcijske nevtralizatorje, ki odstranjujejo naboje iz tekočih dielektrikov, kot je olje. V vsaki proizvodnji je nevarno, da pride do iskre v zraku, lahko povzroči katastrofalne posledice, dim in celo eksplozijo.
Zgodovina odkritij in raziskav na področju elektrike je tesno povezana z uporabo različnih struktur in naprav za pridobivanje električnih nabojev. Elektroforni stroj je odigral svojo vlogo pri znanstvenih raziskavah, katerih delovanje temelji na vzbujanju elektrike zaradi indukcije.
Podobni članki:
