WIMSHURST MACHINE: HISTORIE, JAK TO FUNGUJE A APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Stroj Wimshurst je elektrostatický generátor s vysokým napětím a nízkým proudem, který je díky otočení klikou schopen vyrábět statickou elektřinu oddělením nábojů. Na druhé straně, v současnosti používané generátory, jako jsou baterie, alternátory a dynama, jsou spíše zdrojem elektromotorické síly a způsobují pohyby nábojů v uzavřeném obvodu.

Stroj Wimshurst byl vyvinut britským inženýrem a vynálezcem Jamesem Wimshurstem (1832-1903) v letech 1880 až 1883, čímž se zlepšily verze elektrostatických generátorů navržené jinými vynálezci.

Wimshurst stroj. Zdroj: Andy Dingley (skener)

Vyniká oproti předchozím elektrostatickým strojům svou spolehlivou, reprodukovatelnou obsluhou a jednoduchou konstrukcí, protože dokáže generovat ohromující potenciální rozdíl mezi 90 000 a 100 000 volty.

Části strojů Wimshurst

Základem stroje jsou dva charakteristické disky s izolačním materiálem, s tenkými plechy připevněnými a uspořádanými ve formě radiálních sektorů.

Každý kovový sektor má jiný diametrálně protilehlý a symetrický. Disky mají obvykle průměr 30 až 40 cm, ale mohou být také mnohem větší.

Oba disky jsou namontovány ve svislé rovině a jsou od sebe vzdáleny od 1 do 5 mm. Je důležité, aby se disky během otáčení nikdy nedotýkaly. Kotouče se otáčejí v opačných směrech pomocí kladkového mechanismu.

Stroj Wimshurst má dvě kovové tyče rovnoběžné s rovinou otáčení každého disku: jedna směrem ven z prvního disku a druhá směrem ven z druhého disku. Tyto tyče se protínají v úhlu vůči sobě.

Konce každé tyče mají kovové kartáče, které se dotýkají protilehlých kovových sektorů na každém disku. Jsou známy jako neutralizační tyčinky, a to z dobrého důvodu, o kterém se bude brzy hovořit.

Kartáče udržují elektrický (kovový) kontakt se sektorem disku, který se dotýká jednoho konce tyče, se sektorem diametrálně opačným. Totéž se děje na jiném albu.

Triboelektrický efekt

Kartáče a sektory disku jsou vyrobeny z různých kovů, téměř vždy z mědi nebo bronzu, zatímco čepele disků jsou vyrobeny z hliníku.

Prchavý kontakt mezi nimi při rotaci disků a následném oddělení vytváří možnost výměny nábojů prostřednictvím adheze. Toto je triboelektrický efekt, k němuž může dojít například mezi kouskem jantaru a vlněnou látkou.

Do stroje jsou přidány dvojice kovových hřebenů ve tvaru písmene U s kovovými zakončeními hrotů nebo ostnů, umístěnými v opačných polohách.

Sektory obou disků procházejí vnitřní částí kolektoru U, aniž by se ho dotkly. Kolektory jsou namontovány na izolační základně a jsou zase spojeny se dvěma dalšími kovovými tyčemi končícími ve sférách, které se nedotýkají ani jednoho.

Když je mechanická energie dodávána do stroje pomocí kliky, tření kartáčů vytváří triboelektrický efekt, který odděluje náboje, po kterém jsou již oddělené elektrony zachyceny kolektory a uloženy ve dvou zařízeních nazývaných lahve Leyden.

Leydenova láhev nebo džbán je kondenzátor s válcovými kovovými rámy. Každá láhev je s druhou spojena centrální deskou a tvoří dva kondenzátory v sérii.

Otáčení kliky vytváří tak velký rozdíl v elektrickém potenciálu mezi koulí, že vzduch mezi nimi ionizuje a jiskra skočí. Kompletní zařízení je vidět na obrázku výše.

Ve stroji Wimshurst vychází elektřina z hmoty, která se skládá z atomů. A ty jsou zase tvořeny elektrickými náboji: negativní elektrony a pozitivní protony.

V atomu jsou kladně nabité protony zabaleny do středu nebo jádra a záporně nabité elektrony kolem jádra.

Když materiál ztratí některé ze svých nejvzdálenějších elektronů, stane se pozitivně nabitým. Naopak, pokud zachytíte některé elektrony, získáte čistý záporný náboj. Když je počet protonů a elektronů stejný, je materiál neutrální.

V izolačních materiálech zůstávají elektrony kolem jejich jader, aniž by byly příliš zatoulané. Ale v kovech jsou jádra tak blízko sebe, že nejvzdálenější elektrony (nebo valence) mohou přeskakovat z jednoho atomu na druhý a pohybovat se skrz vodivý materiál.

Pokud se záporně nabitý objekt přiblíží k jedné z čelních ploch kovové desky, pak se elektrony kovu pohybují pryč elektrostatickým odporem, v tomto případě na opačnou stranu. Deska je pak řekl, aby se stal polarizovaný.

Nyní, pokud je tato polarizovaná destička spojena dirigentem (neutralizační tyče) na její záporné straně s jinou destičkou, elektrony by se přesunuly k této druhé destičce. Pokud je spojení náhle přerušeno, je druhá deska záporně nabitá.

Zatěžovací a skladovací cyklus

Aby se mohl stroj Wimshurst spustit, musí mít jeden z kovových sektorů na disku nevyváženost zatížení. Stává se to přirozeně a často, zejména když je vlhkost malá.

Když se disky začnou otáčet, bude čas, kdy neutrální sektor protilehlého disku bude proti načtenému sektoru. To indukuje na sobě náboj stejné velikosti a opačného směru díky kartáčům, protože elektrony se pohybují pryč nebo blíže, podle znamení sektoru proti sobě.

Schéma stroje Wimshurst. Zdroj: RobertKuhlmann

Sběratelé ve tvaru písmene U jsou zodpovědní za vybírání náboje, když se disky navzájem odpuzují, protože jsou nabity poplatky stejného znaku, jak je znázorněno na obrázku, a ukládají uvedený náboj do Leydenových lahví, které jsou k nim připojeny.

Aby toho bylo dosaženo, vyčnívají vnitřní části U hřebenovité vrcholy nasměrované k vnějším plochám každého disku, aniž by se jich však dotkly. Myšlenka je taková, že kladný náboj se soustředí na špičky, takže elektrony vyloučené ze sektorů jsou přitahovány a akumulovány v centrální desce lahví.

Tímto způsobem sektor čelící kolektoru ztratí všechny své elektrony a zůstává neutrální, zatímco centrální deska Leydenu je negativně nabitá.

V opačném kolektoru se stane opak, kolektor dodává elektrony do pozitivní destičky, která je proti němu, dokud není neutralizován a proces se nepřetržitě opakuje.

Aplikace a experimenty

Hlavní aplikací stroje Wimshurst je získávání elektřiny z každé značky. Nevýhodou však je, že dodává poněkud nepravidelné napětí, protože závisí na mechanickém ovládání.

Úhel neutralizačních tyčí může být měněn pro nastavení vysokého výstupního proudu nebo vysokého výstupního napětí. Pokud jsou neutralizátory daleko od kolektorů, stroj dodává vysoké napětí (až do více než 100 kV).

Na druhé straně, pokud jsou v blízkosti kolektorů, výstupní napětí se snižuje a výstupní proud se zvyšuje a může dosáhnout až 10 mikroampérů při normální rychlosti otáčení.

Když nahromaděný náboj dosáhne dostatečně vysoké hodnoty, vytvoří se v koulích spojených s centrálními deskami Leydenu vysoké elektrické pole.

Toto pole ionizuje vzduch a produkuje jiskru, vypouští láhve a vede k novému nabíjecímu cyklu.

Experiment 1

Účinky elektrostatického pole lze ocenit umístěním kartonu mezi koule a pozorováním, že jiskry v něm vytvářejí díry.

Experiment 2

Pro tento experiment budete potřebovat: kyvadlo vyrobené z pingpongové koule pokryté hliníkovou fólií a dvěma plechy ve tvaru L.

Míč je zavěšen uprostřed dvou plachet pomocí izolačního drátu. Každý list je připojen k elektrodám stroje Wimshurst kabely pomocí svorek.

Když se klika otáčí, bude původně neutrální koule kmitat mezi lopatkami. Jeden z nich bude mít nadměrný záporný náboj, který získá míč, který bude přitahován pozitivním listem.

Míč uloží své přebytečné elektrony na tuto fólii, bude krátce neutralizována a cyklus se bude opakovat, dokud se klika stále otáčí.

Reference

1. De Queiroz, A. Elektrostatické stroje. Obnoveno z: koeficient.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Zásady elektrostatické aplikace. Obnoveno z: orbus.be