WIMSHURST MACHINE: HISTÓRIA, AKO TO FUNGUJE A APLIKÁCIE - FYZICKÝ - 2026

Wimshurstův stroj je vysoké napätie, nízky prúd elektrostatický generátor, ktorý je schopný produkovať statickú elektrinu separáciou poplatkov, a to vďaka otočenie kľučky. Na druhej strane v súčasnosti používané generátory, ako sú batérie, alternátory a dynamá, sú skôr zdrojmi elektromotorických síl, ktoré spôsobujú pohyby nábojov v uzavretom obvode.

Stroj Wimshurst bol vyvinutý britským inžinierom a vynálezcom Jamesom Wimshurstom (1832-1903) v rokoch 1880 až 1883, čím sa zlepšili verzie elektrostatických generátorov navrhované inými vynálezcami.

Wimshurst stroj. Zdroj: Andy Dingley (skener)

Vyniká oproti predchádzajúcim elektrostatickým strojom pre svoju spoľahlivú, reprodukovateľnú prevádzku a jednoduchú konštrukciu, pretože je schopný generovať ohromujúci potenciálny rozdiel medzi 90 000 a 100 000 voltov.

Časti strojov Wimshurst

Základom stroja sú dva charakteristické disky s izolačným materiálom, s tenkými kovovými plechmi pripevnenými a usporiadanými vo forme radiálnych sektorov.

Každý kovový sektor má iný diametrálne protiľahlý a symetrický. Disky majú obvykle priemer 30 až 40 cm, ale môžu byť tiež oveľa väčšie.

Oba disky sú namontované vo zvislej rovine a sú od seba vzdialené od 1 do 5 mm. Je dôležité, aby sa disky počas otáčania nedotkli. Kotúče sa otáčajú v opačných smeroch pomocou kladkového mechanizmu.

Stroj Wimshurst má dve kovové tyče rovnobežné s rovinou rotácie každého disku: jednu smerom von z prvého disku a druhú smerom von z druhého disku. Tieto tyče sa protínajú pod určitým uhlom.

Konce každej tyče majú kovové kefy, ktoré prichádzajú do styku s protiľahlými kovovými sektormi na každom disku. Sú známe ako neutralizačné stĺpce, a to z dobrých dôvodov, o ktorých sa bude diskutovať krátko.

Kefy udržujú elektrický (kovový) kontakt s oblasťou disku, ktorá sa dotýka jedného konca tyče, so sektorom diametrálne opačným. To isté sa stane na druhom albume.

Triboelektrický efekt

Kefy a sektory disku sú vyrobené z rôznych kovov, takmer vždy z medi alebo bronzu, zatiaľ čo čepele diskov sú vyrobené z hliníka.

Prchavý kontakt medzi nimi, zatiaľ čo sa kotúče otáčajú a následné oddelenie, vytvára možnosť výmeny nábojov prostredníctvom adhézie. Toto je triboelektrický efekt, ku ktorému môže dôjsť napríklad aj medzi kusom jantáru a vlnenej látky.

K stroju sa pridávajú dvojice kovových hrebeňov tvaru písmena U s kovovými hrotmi alebo hrotmi, ktoré sú umiestnené v opačných polohách.

Sekcie obidvoch diskov prechádzajú vnútornou časťou kolektora U bez toho, aby sa ho dotýkali. Kolektory sú namontované na izolačnej základni a sú zase spojené s dvoma ďalšími kovovými tyčami končiacimi vo sférach, ktoré sú blízko, ale nedotýkajú sa.

Keď sa mechanická energia dodáva do stroja pomocou kľuky, trenie kefiek vyvoláva triboelektrický efekt, ktorý oddeľuje náboje, po ktorom sú už separované elektróny zachytené kolektormi a uložené v dvoch zariadeniach nazývaných fľaše. Leyden.

Fľaša alebo džbán Leyden je kondenzátor s kovovými valcovými rámami. Každá fľaša je spojená s druhou pomocou centrálnej platne, pričom tvoria dva kondenzátory v sérii.

Otáčaním kľuky sa vytvára taký veľký rozdiel v elektrickom potenciáli medzi guľami, že vzduch medzi nimi ionizuje a iskra vyskočí. Kompletné zariadenie je vidieť na obrázku vyššie.

V stroji Wimshurst elektrina vychádza z hmoty, ktorá sa skladá z atómov. A tieto sú zase tvorené elektrickými nábojmi: negatívne elektróny a pozitívne protóny.

V atóme sú kladne nabité protóny balené v strede alebo v jadre a negatívne nabité elektróny okolo svojho jadra.

Ak materiál stratí niektoré zo svojich najvzdialenejších elektrónov, stane sa pozitívne nabitým. Naopak, ak zachytíte niektoré elektróny, získate čistý záporný náboj. Ak je počet protónov a elektrónov rovnaký, je materiál neutrálny.

V izolačných materiáloch zostávajú elektróny okolo jadra bez toho, aby sa príliš zablokovali. Ale v kovoch sú jadrá tak blízko seba, že najvzdialenejšie elektróny (alebo valencia) môžu skočiť z jedného atómu na druhý a pohybovať sa po vodivom materiáli.

Ak sa záporne nabitý predmet priblíži na jednu z čelných stien kovovej platne, elektróny kovu sa odtiahnu elektrostatickým odporom, v tomto prípade na opačnú stranu. Doska je potom označená ako polarizovaná.

Ak je teraz táto polarizovaná doska spojená vodičom (neutralizačné tyče) na jej negatívnej strane s inou doskou, elektróny by sa presunuli na túto druhú doštičku. Ak je spojenie náhle prerušené, druhá doska je záporne nabitá.

Zaťažovací a skladovací cyklus

Na spustenie stroja Wimshurst musí mať jeden z kovových sektorov disku diskovú nevyváženosť. Stáva sa to prirodzene a často, najmä pri nízkej vlhkosti.

Keď sa disky začnú otáčať, nastane čas, keď neutrálny sektor opačného disku bude proti vloženému sektoru. To vyvoláva náboj rovnakej veľkosti a opačného smeru vďaka kefám, pretože elektróny sa pohybujú preč alebo bližšie, podľa znamenia smerujúceho k sektoru.

Schéma stroja Wimshurst. Zdroj: RobertKuhlmann

Zberače v tvare U sú zodpovedné za vyberanie náboja, keď sa disky navzájom odpudzujú, pretože sú nabité nábojmi toho istého znaku, ako je to znázornené na obrázku, a tieto náboje ukladajú do Leydenových fliaš, ktoré sú k nim pripojené.

Aby sa to dosiahlo, vnútorná časť U vyčnieva z hrebeňovitých píkov nasmerovaných k vonkajším plochám každého disku, ale bez toho, aby sa ich dotýkala. Ide o to, že kladný náboj sa sústreďuje na špičky, takže elektróny vylúčené zo sektorov sú priťahované a hromadia sa v centrálnej doske fliaš.

Týmto spôsobom sektor, ktorý čelí kolektoru, stráca všetky svoje elektróny a zostáva neutrálny, zatiaľ čo stredná platňa Leydenu je záporne nabitá.

V opačnom kolektore sa stáva opak, kolektor dodáva elektróny do pozitívnej platničky, ktorá je oproti nemu, kým nie je neutralizovaná a proces sa opakuje nepretržite.

Aplikácie a experimenty

Hlavnou aplikáciou stroja Wimshurst je získavanie elektriny z každej značky. Nevýhodou však je, že dodáva skôr nepravidelné napätie, pretože závisí od mechanického ovládania.

Uhol neutralizačných tyčí sa môže meniť, aby sa nastavil vysoký výstupný prúd alebo vysoké výstupné napätie. Ak sú neutralizátory vzdialené od kolektorov, stroj dodáva vysoké napätie (až do viac ako 100 kV).

Na druhej strane, ak sú v blízkosti kolektorov, výstupné napätie klesá a výstupný prúd sa zvyšuje a pri normálnych rotačných rýchlostiach môže dosiahnuť až 10 mikroampérov.

Keď akumulovaný náboj dosiahne dostatočne vysokú hodnotu, potom sa v guľách pripojených k centrálnym doštičkám Leydenu vytvorí vysoké elektrické pole.

Toto pole ionizuje vzduch a vytvára iskru, vypúšťa fľaše a vedie k novému cyklu nabíjania.

Pokus 1

Účinky elektrostatického poľa je možné oceniť umiestnením kartónu medzi gule a pozorovaním, že v ňom iskry vytvárajú otvory.

Pokus 2

Na tento experiment budete potrebovať: kyvadlo vyrobené z gule na ping pong potiahnutej hliníkovou fóliou a dvoch plechov v tvare L.

Guľa je zavesená v strede obidvoch plátov pomocou izolačného drôtu. Každá fólia je spojená s elektródami stroja Wimshurst pomocou káblov so svorkami.

Pri otáčaní kľuky bude pôvodne neutrálna guľa kmitať medzi lopatkami. Jeden z nich bude mať prebytok záporného náboja, ktorý sa dostane do lopty, čo bude priťahované pozitívnym listom.

Lopta uloží svoje prebytočné elektróny na tento hárok, stručne sa neutralizuje a cyklus sa bude opakovať, kým sa kľuková kľuka stále otáča.

Referencie

1. De Queiroz, A. Elektrostatické stroje. Získané z: koeficient.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Zásady elektrostatickej aplikácie. Získané z: orbus.be