Wimshurstov generátor alebo elektroforový stroj je indukčné elektrostatické zariadenie určené ako nepretržitý zdroj elektrickej energie. V 21. storočí sa používa ako pomocná technika na predvádzanie fyzikálnych experimentov súvisiacich s rôznymi elektrickými efektmi a javmi.
Obsah
Trochu z histórie vynálezu
V roku 1865 vyvinul experimentálny fyzik z Nemecka August Tepler konečné výkresy elektroforetického stroja. Zároveň druhý nezávislý objav takejto jednotky urobil nemecký vedec Wilhelm Holz. Hlavným rozdielom zariadenia bola schopnosť získať väčší výkon a potenciálny rozdiel. Holtz je považovaný za tvorcu zdroja jednosmerného elektrického prúdu.
Jednoduchý počiatočný dizajn elektroforového stroja vylepšil v roku 1883 James Wimshurst z Anglicka.Jeho modifikácia sa používa vo všetkých fyzikálnych laboratóriách na názornú ukážku experimentov.
Konštrukcia elektroforetického stroja
2 koaxiálne disky rotujú proti sebe, pričom nesú najjednoduchšie kondenzátory z hliníkových sektorov. V dôsledku náhodných procesov sa v primárnom momente vytvorí náboj na mieste jedného zo segmentov. Tento jav je spôsobený procesom trenia o vzduch. Vzhľadom na symetriu dizajnu nie je možné vopred predpovedať konečný znak.
Dizajn využíva 2 leydenské tégliky. Vytvárajú jeden systém zo sériovo zapojených kondenzátorov. To má za následok zdvojnásobenie požiadaviek na prevádzkové napätie v každej nádrži. Je potrebné zvoliť rovnaké hodnoty, to je kľúč k rovnomernému rozloženiu prevádzkového napätia.
Indukčné neutralizátory sú určené na odľahčenie napätia. Celá konštrukcia pripomína kovový hrebeň vznášajúci sa v určitej vzdialenosti nad diskom. Oba disky s ekvivalentnými znakmi vonkajšieho povrchu prichádzajú do bodu odstránenia náboja. Neutralizátory sú spárované. Po vyložení sa náboj segmentov značne zníži. V dodatočných prevedeniach sa kefa ľahko dostane do kontaktu s okrajom kotúča.
Obsluha silou elektrického pohonu alebo vlastnej ruky násilne spája odpudivé prvky systému. Náboje, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, sa snažia čo najviac usadiť. Proces prispieva k prudkému zvýšeniu hustoty povrchového náboja na všetkých miestach odstraňovania.
Elektrina sa zhromažďuje v nádobách Leiden z vrcholov neutralizátorov. Dochádza k rýchlemu nárastu napätia.Iskrisko pripojené k 2 elektródam pomáha predchádzať zlyhaniu systému. Úpravou vzdialenosti medzi nimi je možné získať oblúk rôznej sily. Existuje vzťah: čím silnejšia je intenzita poľa medzi 2 iskriskovými medzerami, tým hlučnejší je efekt, ktorý sprevádza proces vyprázdňovania pohárov Leiden.
Segmenty zostanú prázdne za bodom odstránenia náboja. Po prúde sú potenciálne ekvalizéry alebo neutralizátory inštalované podľa princípu činnosti. Každá opačná strana disku už nabila rôzne kefky. V momente prechodu cez odberné miesto a za ním sú znaky zvyškového náboja odlišné.
Kus hrubého medeného drôtu s kefami najtenších drôtov vznášajúcimi sa v nízkej výške alebo trecími segmentmi prispieva k uzavretiu týchto protikladov. Výsledok - náboje na oboch segmentoch sú rovné nule, všetka energia sa premení podľa Joule-Lenzovho zákona na teplo generované na zhrubnutom medenom jadre.
Čo sú banky v Leidene
Prvý elektrický kondenzátor, ktorý vytvorili holandskí vedci Pieter van Muschenbroek, bola Leydenská nádoba. Vynájdený kondenzátor má tvar valca so širokým alebo stredným hrdlom rôznych priemerov. Dóza Leyden je vyrobená zo skla. Zvnútra aj zvonku je prelepený špeciálnym plechom. Výrobok je pokrytý dreveným vekom. Hlavnou funkciou vynálezu je akumulácia a skladovanie veľkých nábojov.
Vytvorenie takejto banky bolo stimulované širokým štúdiom elektriny, všeobecnou rýchlosťou jej distribúcie, ako aj vlastnosťami elektrickej vodivosti rôznych materiálov. Vďaka nej bolo možné prvýkrát umelo vyrobiť elektrickú iskru.Teraz sa plechovky Leiden používajú iba ako neoddeliteľná súčasť elektroforetických strojov.
Aký je princíp činnosti elektroforetického stroja
Zo sily operátora sa odoberá energia na zmenu značiek. Už medzi ekvalizérmi a kefami sa kotúče pohybujú vzájomným odpudzovaním k sebe. Rolu hrá počet otáčok za minútu. Zvýšená hustota náboja. Najsilnejší náboj protiľahlých kotúčov pretlačí zvyšky cez dĺžky medeného drôtu. Z toho vyplýva energia dostatočná na zmenu znamienka.
Zvýšením hustoty povrchu sa náboj zo zariadenia odstráni. V jedinom bode sa robia energetické zásoby v Leidenskej banke, ďalšie miesto slúži na zmenu nápisu. Indukčné neutralizátory nemajú prakticky žiadne rozdiely. Obaja vykonávajú spoločnú funkciu neutralizácie energie. Všeobecná schéma:
- V dizajne sú 2 typy kondenzátorov: Leiden banky, kde sa hromadí náboj, a kombinácia segmentu oboch diskov s dielektrikom a hliníkovou výstelkou.
- Existujú 2 typy neutralizátorov, ktoré znižujú náboj hliníkových segmentov. Prvý slúži na zmenu znamienka alebo polarizácie, druhý na nabíjanie Leydenskej nádoby.
Všetka energia nepochádza z trenia hliníka a medi alebo z elektrifikácie vzduchu. Vzniká násilným plnením kondenzátorov torznou silou disku. Všetky procesy sa uskutočňujú v dôsledku prudkého zvýšenia hustoty povrchového náboja v miestach odstraňovania.
Aplikácia elektroforového stroja
Zo 70. rokov. stroj Wimshurst sa nepoužíva na priamu výrobu elektrickej energie.Dnes pôsobí ako historický exponát ilustrujúci históriu vzniku a rozvoja vedecko-technického pokroku a inžinierstva. Laboratórna ukážka, pre ktorú je vytvorený elektroforový stroj, ukazuje rôzne javy a účinky elektriny.
Je prijateľné použiť indukčné neutralizátory, ktoré odstraňujú náboje z kvapalných dielektrík, ako je olej. Je nebezpečné dostať iskru do vzduchu pri akejkoľvek výrobe, môže to viesť k katastrofálnym následkom, dymu a dokonca k výbuchu.
História objavov a výskumu v oblasti elektriny úzko súvisí s využívaním rôznych štruktúr a zariadení na získavanie elektrických nábojov. Vo vedeckom výskume zohral svoju úlohu elektroforový stroj, ktorého činnosť je založená na budení elektrickej energie v dôsledku indukcie.
Podobné články:
