Wimshurstův generátor neboli elektroforový stroj je indukční elektrostatické zařízení navržené jako nepřetržitý zdroj elektrické energie. V 21. století se používá jako pomocná technika pro demonstraci fyzikálních experimentů souvisejících s různými elektrickými jevy a jevy.
Obsah
Trochu z historie vynálezu
V roce 1865 vyvinul experimentální fyzik z Německa August Tepler konečné výkresy elektroforového stroje. Přitom druhý samostatný objev takové jednotky učinil německý vědec Wilhelm Holz. Hlavním rozdílem zařízení byla schopnost získat větší výkon a potenciálový rozdíl. Holtz je považován za tvůrce zdroje stejnosměrného elektrického proudu.
Jednoduchý původní návrh elektroforového stroje byl vylepšen v roce 1883 Jamesem Wimshurstem z Anglie.Jeho modifikace se používá ve všech fyzikálních laboratořích pro názornou ukázku experimentů.
Konstrukce elektroforového stroje
2 koaxiální disky rotují proti sobě, přičemž nesou nejjednodušší kondenzátory z hliníkových sektorů. Vlivem náhodných procesů se v primárním okamžiku na místě jednoho ze segmentů vytvoří náboj. Jev je způsoben procesem tření o vzduch. Vzhledem k symetrii designu nelze předem předvídat konečné znamení.
Design využívá 2 zavařovací sklenice Leyden. Vytvářejí jediný systém ze sériově zapojených kondenzátorů. To má za následek zdvojnásobení požadavků na provozní napětí v každé nádrži. Je nutné zvolit stejné jmenovité hodnoty, to je klíč k rovnoměrnému rozložení provozního napětí.
Indukční neutralizátory jsou určeny k odlehčení napětí. Celá konstrukce připomíná kovový hřeben vznášející se v určité vzdálenosti nad diskem. Oba disky s ekvivalentními znaky vnějšího povrchu se dostanou k bodu odstranění náboje. Neutralizátory jsou spárované. Po vyložení se náboj segmentů značně sníží. V dalších provedeních se kartáč snadno dostane do kontaktu s okrajem kotouče.
Obsluha silou elektrického pohonu nebo vlastní rukou násilně spojuje odpudivé prvky systému. Náboje, které se vzájemně ovlivňují, se snaží co nejvíce usadit. Proces přispívá k prudkému zvýšení hustoty povrchového náboje ve všech místech odstraňování.
Elektřina se shromažďuje v leidenských nádobách z hřebenů neutralizátorů. Dochází k rychlému nárůstu napětí.Jiskřiště připojené ke 2 elektrodám pomáhá zabránit selhání systému. Nastavením vzdálenosti mezi nimi je možné získat oblouk různé síly. Existuje vztah: čím silnější je síla pole mezi 2 jiskřištěmi, tím hlučnější efekt doprovází proces vyprazdňování sklenic Leiden.
Za bodem odstranění náboje zůstávají segmenty prázdné. Po proudu jsou podle principu činnosti instalovány potenciální ekvalizéry nebo neutralizátory. Každá protilehlá strana disku již nabila různé kartáče. V okamžiku průjezdu odběrným místem a za ním jsou znaménka zbytkového náboje odlišná.
K uzavření těchto protikladů přispívá kus tlustého měděného drátu s kartáči z nejtenčích drátů vznášejícími se v malé výšce nebo třecími segmenty. Výsledek - náboje na obou segmentech jsou rovny nule, veškerá energie se přemění podle Joule-Lenzova zákona na teplo generované na zesíleném měděném jádru.
Co jsou banky Leiden
První elektrický kondenzátor vytvořený nizozemskými vědci Pieter van Muschenbroek byla Leydenská nádoba. Vynalezený kondenzátor má tvar válce se širokým nebo středním hrdlem různých průměrů. Dóza Leyden je vyrobena ze skla. Zevnitř i zvenku je přelepen speciálním plechem. Výrobek je přikryt dřevěným víkem. Hlavní funkcí vynálezu je akumulace a skladování velkých nábojů.
Vytvoření takové banky bylo stimulováno širokým studiem elektřiny, obecnou rychlostí její distribuce a také vlastnostmi elektrické vodivosti různých materiálů. Díky ní bylo poprvé možné vyrobit elektrickou jiskru uměle.Nyní se plechovky Leiden používají pouze jako nedílná součást elektroforových strojů.
Jaký je princip činnosti elektroforového stroje
Ze síly operátora se odebírá energie ke změně značek. Již mezi ekvalizéry a kartáči se kotouče pohybují vzájemným odpuzováním k sobě. Roli hraje počet otáček za minutu. Zvýšená hustota náboje. Nejsilnější náboj protilehlých kotoučů protlačí zbytky skrz délky měděného drátu. Z toho vyplývá energie dostatečná ke změně znaménka.
Zvýšením povrchové hustoty se náboj ze zařízení odstraní. V jednom místě se v Leidenské bance dělají energetické zásoby, další místo slouží ke změně nápisu. Indukční neutralizátory nemají prakticky žádné rozdíly. Oba plní společnou funkci neutralizace energie. Obecné schéma:
- V provedení jsou 2 typy kondenzátorů: Leidenské banky, kde se hromadí náboj, a kombinace segmentu obou disků s dielektrikem a hliníkovou výstelkou.
- Existují 2 typy neutralizátorů, které snižují náboj hliníkových segmentů. První slouží ke změně znaménka či polarizace, druhý k nabíjení Leydenské nádoby.
Veškerá energie nepochází z tření hliníku a mědi nebo z elektrifikace vzduchu. Vzniká násilným plněním kondenzátorů torzní silou disku. Všechny procesy jsou prováděny kvůli prudkému nárůstu hustoty povrchového náboje v místech odstraňování.
Aplikace elektroforového stroje
Ze 70. let. stroj Wimshurst neslouží k přímé výrobě elektrické energie.Dnes působí jako historický exponát ilustrující historii vzniku a vývoje vědeckotechnického pokroku a inženýrství. Laboratorní ukázka, pro kterou je vytvořen elektroforový stroj, ukazuje různé jevy a účinky elektřiny.
Je přijatelné použít indukční neutralizátory, které odstraňují náboje z kapalných dielektrik, jako je olej. Je nebezpečné dostat jiskru do vzduchu v jakékoli produkci, může to vést ke katastrofálním následkům, kouři a dokonce k výbuchu.
Historie objevů a výzkumu v oblasti elektřiny úzce souvisí s využitím různých struktur a zařízení pro získávání elektrických nábojů. Svou roli ve vědeckém výzkumu sehrál elektroforový stroj, jehož působení je založeno na buzení elektřiny v důsledku indukce.
Podobné články:
