Машина Уимшерста
 | Эта статья включает список литературы , связанную литературу или внешние ссылки , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . ( январь 2016 г. ) |
 Машина Вимшерста с двумя лейденскими банками | |
| Тип | электростатический генератор |
|---|---|
| изобретатель | Джеймс Уимшерст |
| Зарождение | в. 1880 г. |
Машина Вимшерста или машина влияния Вимшерста — электростатический генератор , машина для генерации высоких напряжений , разработанная между 1880 и 1883 годами британским изобретателем Джеймсом Вимшерстом (1832–1903). [ нужна ссылка ]
Он имеет характерный внешний вид с двумя большими дисками, вращающимися в противоположных направлениях, установленными в вертикальной плоскости, двумя скрещенными стержнями с металлическими щетками и искровым разрядником, образованным двумя металлическими сферами.
Описание
[ редактировать ]Эти машины относятся к классу электростатических генераторов, называемых машинами влияния , которые разделяют электрические заряды посредством электростатической индукции или воздействия , независимо от трения для их работы. Ранее машины этого класса были разработаны Вильгельмом Хольцем (1865 и 1867 гг.), Августом Топлером (1865 г.), Дж. Робертом Воссом (1880 г.) и другими. Старые машины менее эффективны и демонстрируют непредсказуемую тенденцию к переключению полярности, тогда как машина Уимшерста не имеет ни одного дефекта.
В машине Вимшерста два изолированных диска и их металлические сектора вращаются в противоположных направлениях, проходя через скрещенные металлические стержни нейтрализатора и их щетки. Дисбаланс зарядов индуцируется, усиливается и собирается двумя парами металлических гребенок, точки которых расположены вблизи поверхностей каждого диска. Эти коллекторы монтируются на изолирующих опорах и подключаются к выходным клеммам. Положительная обратная связь увеличивает накапливаемые заряды в геометрической прогрессии до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя диэлектрика воздуха и электрическая искра через зазор не проскочит .
Машина теоретически не является самозапускающейся, а это означает, что, если ни один из секторов дисков не имеет электрического заряда, нет ничего, что могло бы индуцировать заряды в других секторах. На практике даже небольшого остаточного заряда на любом секторе достаточно, чтобы процесс пошел, как только диски начнут вращаться. Машина будет работать удовлетворительно только в сухой атмосфере. Чтобы повернуть диски против электрического поля, требуется механическая энергия , и именно эту энергию машина преобразует в электрическую мощность искры. Стационарный выходной сигнал машины Вимшерста представляет собой постоянный (непеременный) ток , пропорциональный площади, покрытой металлическим сектором, скорости вращения и сложной функции начального распределения заряда. Изоляция и размер машины определяют максимальное выходное напряжение, которого можно достичь. Накопленную энергию искры можно увеличить, добавив пару лейденских банок , первого типа конденсаторов, подходящих для высоких напряжений, с внутренними пластинами банок, независимо подключенными к каждой из выходных клемм, а внешние пластины банок соединены между собой. Типичная машина Вимшерста может производить искры длиной около трети диаметра диска и силой в несколько десятков микроампер.
Доступный прирост напряжения можно понять, заметив, что плотность заряда в противоположно заряженных секторах между стержнями нейтрализатора почти одинакова по всем секторам и, следовательно, при низком напряжении, в то время как плотность заряда в одинаковых заряженных секторах, приближающихся к гребенкам коллектора, пики вблизи краев сектора, следовательно, при высоком напряжении относительно противоположных гребен коллектора. [ нужна ссылка ]
Машины Уимшерста использовались в 19 веке в физических исследованиях. Их также иногда использовали для генерации высокого напряжения для питания рентгеновских трубок Крукса первого поколения в течение первых двух десятилетий 20-го века, хотя машины Хольца и индукционные катушки чаще использовались . Сегодня они используются только в научных музеях и образовательных учреждениях для демонстрации принципов электростатики.
Операция
[ редактировать ]На два изолирующих диска, вращающихся в противоположных направлениях (обычно сделанных из стекла), наклеено несколько металлических секторов. Машина снабжена четырьмя небольшими щетками (по две с каждой стороны машины на проводящих валах под углом 90° друг к другу), а также парой гребенок для сбора заряда. Проводящие валы, удерживающие щетки типичной машины Вимшерста, имели бы форму буквы «X», если бы можно было видеть сквозь изолирующие диски, поскольку они перпендикулярны друг другу. Гребенки для сбора заряда обычно устанавливаются горизонтально и одинаково контактируют с внешними краями как переднего, так и заднего дисков. Соты для сбора с каждой стороны обычно соединены с соответствующими лейденскими банками .
Любого небольшого заряда на любом из двух дисков достаточно, чтобы начать процесс зарядки. Предположим поэтому, что задний диск имеет небольшой суммарный электростатический заряд. Для конкретики предположим, что этот заряд положительный (красный) и что задний диск (нижняя цепь [A]) вращается против часовой стрелки (справа налево). Когда заряженный сектор (перемещающийся красный квадрат) поворачивается в положение щетки ([Y] кончик стрелки вниз) рядом с передним диском ([B] верхняя цепь рядом с центром), это вызывает поляризацию заряда на проводящем валу ([ Y-Y1] верхняя горизонтальная черная линия), держа кисть, притягивая отрицательный (зеленый) заряд к ближней стороне ([Y] верхний квадрат становится зеленым), так что положительный (красный) заряд накапливается на дальней стороне (поперек диска, на 180 градусов) (верхний квадрат [Y1] становится красным). Поляризованные заряды вала прикрепляются к ближайшим секторам диска B, в результате чего отрицательный заряд на B [Y] становится ближе к первоначальному положительному заряду на A, а положительный заряд на противоположной стороне B [Y1]. После дополнительного поворота на 45° ([Z] около середины нижней цепи) положительный (красный) заряд на A (нижняя цепь) отталкивается приближающимся положительным (красным) зарядом на B (верхняя цепь [Z]). Первая встреченная гребенка сбора (линии со стрелками [Z] в треугольниках) позволяет как положительным (красным) зарядам покидать секторы нейтральными (квадраты становятся черными), так и накапливаться на аноде лейденской банки (красный треугольник), притягиваемом к лейденской банке. катод (зеленый треугольник). Заряд завершает цикл прохождения дисков, когда искра (желтый зигзаг) разряжает лейденскую банку (красный и зеленый треугольники).
Когда B поворачивается на 90° по часовой стрелке (слева направо), заряды, индуцированные на нем, совпадают с щетками рядом с диском A [X, X1]. Заряды на B вызывают противоположную поляризацию вала А-щетки, и поляризация вала передается ее диску. Диск B продолжает вращаться, и его заряды накапливаются ближайшими гребенками-зарядоприемниками.
Диск A поворачивается на 90° так, что его заряды совпадают с щеткой диска B [Y, Y1], при этом на проводящем валу B и ближайших секторах B возникает противоположная поляризация зарядов, аналогично описанию двумя абзацами выше. .
Процесс повторяется, при этом каждая поляризация заряда на A вызывает поляризацию на B, вызывает поляризацию на A и т. д. «Влияние» соседних притягивающих секторов вызывает экспоненциально большие заряды, пока они не уравновешиваются конечной емкостью проводящего стержня. Все эти индуцированные положительные и отрицательные заряды собираются гребнями для зарядки лейденских банок — устройств хранения электрического заряда, похожих на конденсаторы. Механическая энергия, необходимая для разделения противоположных зарядов в соседних секторах, обеспечивает источник энергии для электрического выхода.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- « История электростатических генераторов ». Ганс-Петер Математический Техник Алгоритмический Лингвистик Omnium Gatherum.
- де Кейрос, Антонио Карлос М., « Электростатическая машина Уимшерста »
- Вайсштейн, Эрик В., « Машина Уимшерста ».
- Боссерт, Франсуа, « Машина Уимшерста ». Средняя школа Луи Куффиньяля, Страсбург. ( английская версия)
- Шарье Жак « Машина Уимшерста ». Факультет наук Нанта.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Веб-сайт Wimshurst Machine: фотографии и видеоклипы машины Wimshurst
- Видеодемонстрация MIT и объяснение машины Уимшерста (демонстрация физики MIT TechTV)