WIMSHURST GÉP: ELŐZMÉNYEK, MŰKÖDÉS ÉS ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2026

A Wimshurst gép nagyfeszültségű, alacsony áramerősségű elektrosztatikus generátor, amely a forgattyú forgásának köszönhetően statikus elektromosságot képes előállítani a töltések elválasztásával. Másrészről, a jelenleg használt generátorok, mint például az elemek, a váltakozó áramú generátorok és a dinamók inkább az elektromotoros erő forrásai, és a töltések zárt körben történő mozgatását okozzák.

A Wimshurst gépet James Wimshurst (1832-1903) brit mérnök és feltaláló (1832-1903) fejlesztette ki 1880 és 1883 között, javítva az elektrosztatikus generátorok más feltalálók által javasolt változatát.

Wimshurst gép. Forrás: Andy Dingley (szkenner)

Kitűnő a korábbi elektrosztatikus gépekkel szemben a megbízható, reprodukálható működés és egyszerű felépítés szempontjából, mivel képes meghökkentő potenciálkülönbséget generálni 90 000 és 100 000 volt között.

Wimshurst gépalkatrészek

A gép alapja a két jellemző szigetelőtárcsa, vékony fémlemezekkel, amelyek radiális szektorok formájában vannak rögzítve és elrendezve.

Mindegyik fémszektornak van egy másik, átmérőjében ellentétes és szimmetrikus. A tárcsák átmérője általában 30–40 cm, de sokkal nagyobb is lehet.

Mindkét tárcsát függőleges síkban szereljük fel, és egymástól 1-5 mm távolságra vannak egymástól. Fontos, hogy a tárcsák forgás közben soha ne érjenek hozzá. A tárcsákat a szíjtárcsa mechanizmusa ellentétes irányba forgatja.

A Wimshurst gépnek két fémrúdja van, amelyek párhuzamosan vannak az egyes korongok forgási síkjával: az egyik az első tárcsa külseje felé, a másik a második korong külseje felé. Ezek a rudak egymással szemben szögben metszik egymást.

Az egyes rudak végein fémkefék vannak, amelyek érintkeznek az egyes lemezeken lévő egymással szemben lévő fémszakaszokkal. Semlegesítő rudakként ismertek, jó okból, amelyet hamarosan megvitatunk.

A kefék elektromosan (fémesen) érintkeznek a tárcsa szektoraival, amely a rúd egyik végét érinti, és az ágazat átmérővel szemben van. Ugyanez történik a másik albumon is.

A triboelektromos hatás

A korong kefék és szektorok különböző fémekből készülnek, szinte mindig rézből vagy bronzból, míg a korongok pengék alumíniumból készülnek.

A tárcsa forogása és az azt követő szétválasztás között a mágneses érintkezés lehetővé teszi a töltések ragasztás útján történő cseréjét. Ez a triboelektromos hatás, amely előfordulhat például egy borostyánkő darab és egy gyapjúszövet között.

Egy pár U alakú fémgyűjtőt (fésűt) adnak a géphez fémhegyekkel vagy tüskékkel, amelyek ellentétes helyzetben vannak.

Mindkét lemez szektorjai az U gyűjtő belső részén áthaladnak anélkül, hogy megérintették volna. A kollektorok szigetelő alaprészre vannak felszerelve, és viszont két másik fémrúdhoz vannak csatlakoztatva, amelyek gömbökbe záródnak, szorosan, de egyikük sem érintkeznek.

Amikor a hajtómű segítségével mechanikus energiát juttatnak a géphez, a kefék súrlódása triboelektromos hatást vált ki, amely elválasztja a töltéseket, majd a már elválasztott elektronokat a kollektorok elfogják, és két eszközben tárolják, azaz Leyden.

A Leyden üveg vagy kancsó hengeres fémkerettel ellátott kondenzátor. Mindegyik palackot a központi lemez összeköti a másikkal, két soros kondenzátort képezve.

A forgattyú forgatása olyan nagy különbséget eredményez a gömbök elektromos potenciáljában, hogy a közöttük levegő ionizálódik, és egy szikra ugrik. A teljes eszköz a fenti képen látható.

A Wimshurst gépben az elektromosság az anyagból származik, amelyet atomok alkotnak. Ezek pedig elektromos töltésekből állnak: negatív elektronok és pozitív protonok.

Az atomban a pozitív töltésű protonok a központba vagy a magba csomagolódnak, és a negatív töltésű elektronok a magja körül helyezkednek el.

Amikor egy anyag elveszíti a legkülső elektronjainak egy részét, akkor pozitív töltésű lesz. Ezzel szemben, ha elfog néhány elektronot, akkor nettó negatív töltést kap. Ha a protonok és elektronok száma egyenlő, akkor az anyag semleges.

A szigetelő anyagokban az elektronok maguk körül maradnak anélkül, hogy túl messzire kóborolnának. A fémekben azonban a magok annyira közel vannak egymáshoz, hogy a legkülső elektronok (vagy vegyérték) ugrálhatnak egyik atomról a másikra, és a vezető anyagon át mozoghatnak.

Ha egy negatív töltésű tárgy közeledik egy fémlemez egyik oldalához, akkor a fém elektronjai elektrosztatikus taszítással elmozdulnak, ebben az esetben az ellenkező oldalra. Azt mondják, hogy a lemez polarizálódott.

Ha ezt a polarizált lemezt egy negatív oldalán lévő vezetővel (semlegesítő rudak) egy másik lemezhez kötik, az elektronok erre a második lemezre mozognak. Ha a csatlakozás hirtelen megszakad, a második lemez negatív töltésű.

Töltési és tárolási ciklus

Ahhoz, hogy a Wimshurst gép elinduljon, a lemez egyik fémszektorának terhelési egyensúlyhiánynak kell lennie. Ez természetesen és gyakran fordul elő, különösen, ha kevés a páratartalom.

Amikor a tárcsák forogni kezdenek, lesz idő, amikor a szemben lévő tárcsa semleges szektorja szemben áll a betöltött szektorral. Ez a keféknek köszönhetően azonos nagyságrendű és ellentétes irányú töltést indukál rajta, mivel az elektronok elmozdulnak vagy megközelítik a szemben lévő szektor jele szerint.

A Wimshurst gép vázlata. Forrás: RobertKuhlmann

Az U alakú gyűjtők felelnek a töltés beszedéséért, amikor a tárcsák egymást visszataszítják, mivel ugyanazon jelű töltésekkel vannak töltve, amint az az ábrán látható, és az említett töltést a hozzájuk kapcsolódó Leyden-palackokban tárolják.

Ennek elérése érdekében az U belső része fésűszerű csúcsokat mutat ki az egyes korongok külső felületei felé, anélkül hogy megérintették őket. Az ötlet az, hogy a pozitív töltés a hegyekre koncentrálódjon, úgyhogy az ágazatokból kilépő elektronok vonzódjanak és felhalmozódjanak a palackok központi lemezére.

Ilyen módon a kollektor felé néző szektor elveszíti összes elektronát és semleges marad, miközben a Leyden központi lemeze negatív töltéssel rendelkezik.

Az ellenkező kollektorban az ellenkezője történik, a kollektor elektronokat juttat a szemben lévő pozitív lemezre, amíg semlegesítésre nem kerül, és a folyamatot folyamatosan megismételjük.

Alkalmazások és kísérletek

A Wimshurst gép fő alkalmazása az, hogy minden jelből villamos energiát szerezzen. Ennek hátránya azonban, hogy meglehetősen szabálytalan feszültséget szolgáltat, mivel ez a mechanikus működéstől függ.

A semlegesítő rudak szöge változtatható a magas kimeneti áram vagy a magas kimeneti feszültség beállításához. Ha a semlegesítők messze vannak a kollektoroktól, a gép magas feszültséget szolgáltat (legfeljebb 100 kV-ig).

Másrészt, ha a kollektorokhoz közel vannak, akkor a kimeneti feszültség csökken, és a kimeneti áram növekszik, és normál fordulatszám mellett akár 10 mikroampert is elérhet.

Amikor a felhalmozódott töltés eléri a elég magas értéket, akkor nagy elektromos mező jön létre a Leyden központi lemezéhez kapcsolt gömbökön.

Ez a mező ionizálja a levegőt és szikra keletkezik, kiürítve a palackokat, és új töltési ciklust eredményezve.

1. kísérlet

Az elektrosztatikus mező hatásait úgy lehet felmérni, ha kartonlapot helyeznek a gömbök közé, és megfigyelik, hogy a szikra lyukakat teremt benne.

2. kísérlet

Ehhez a kísérlethez szükséged lesz: egy ingra, amely ping-pong labdából készült, alumínium fóliával bevont és két L alakú fémlemezből áll.

A golyót a két lap közepére lógják egy szigetelő huzal segítségével. Minden lapot a Wimshurst gép elektródáival bilincsekkel összekötnek.

A forgattyú forgatásakor az eredetileg semleges gömb oszlik a pengék között. Az egyiknek túl sok negatív töltése lesz, amely a golyóhoz vezet, amelyet a pozitív lap vonz.

A labda felesleges elektronjait ezen a lemezen helyezi el, rövid ideig semlegesíti és a ciklus megismétlődik, amíg a forgattyú tovább forog.

Irodalom

1. De Queiroz, A. Elektrosztatikus gépek. Helyreállítva: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Elektrosztatikus alkalmazási elvek. Helyreállítva: orbus.be