Машина Вимшерста - Wimshurst machine

Машина Вимшерста
Wimshurst.jpg
Машина Вимшерста с двумя Лейденские банки.
Типэлектростатический генератор
ИзобретательДжеймс Вимшерст
Началоc. 1880
Технический чертеж машины Wimshurst, от Электрическое руководство Хокинса
Машина Wimshurst в работе

В Машина влияния Вимшерста является электростатический генератор, машина для генерации высоких напряжения разработан между 1880 и 1883 годами британским изобретателем Джеймс Вимшерст (1832–1903).

Он имеет характерный внешний вид с двумя большими противоположно вращающимися дисками, установленными в вертикальной плоскости, двумя перекрещенными стержнями с металлическими щетками и разрядник образованный двумя металлическими сферами.

Описание

Эти машины относятся к классу электростатических генераторов, называемых машины влияния, которые разделяют электрические заряды через электростатическая индукция, или же влияние, вне зависимости от трения для их работы. Ранее машины этого класса были разработаны Вильгельм Хольц (1865 и 1867), Август Топлер (1865 г.), Дж. Роберт Восс (1880 г.) и др. Старые машины менее эффективны и демонстрируют непредсказуемую тенденцию к переключению полярности. У Wimshurst этого дефекта нет.

В машине Wimshurst два изолированных диска и их металлические сектора вращаются в противоположных направлениях, проходя через скрещенные металлические стержни нейтрализатора и их щетки. Неуравновешенность зарядов индуцируется, усиливается и собирается двумя парами металлических гребешков с точками, расположенными рядом с поверхностями каждого диска. Эти коллекторы устанавливаются на изолирующие опоры и подключаются к выходным клеммам. Положительная обратная связь увеличивает накопленные заряды экспоненциально до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя диэлектрика воздуха и электрическая искра перепрыгивает через щель.

Теоретически машина не запускается автоматически, а это означает, что если ни один из секторов на диске не имеет электрического заряда, нет ничего, что могло бы вызвать заряды в других секторах. На практике даже небольшого остаточного заряда на любом секторе достаточно, чтобы запустить процесс, как только диски начнут вращаться. Аппарат удовлетворительно работает только в сухой атмосфере. Требуется механическое мощность вращать диски против электрического поля, и именно эту энергию машина преобразует в электрическую силу искры. Выход установившегося состояния машины Вимшерста - прямой (не чередующийся) Текущий это пропорционально площади, покрытой металлическим сектором, скорости вращения и сложной функции начального распределения заряда. Изоляция и размер машины определяют максимальное выходное напряжение, которое может быть достигнуто. Накопленную энергию искры можно увеличить, добавив пару Лейденские банки, ранний тип конденсатор подходят для высоких напряжений, с внутренними пластинами ящиков, независимо подключенными к каждому из выходных клемм, и внешними пластинами, соединенными между собой. Типичная машина Вимшерста может производить искры, длина которых составляет около трети диаметра диска и несколько десятков микроампер.

Доступный прирост напряжения можно понять, отметив, что плотность заряда на противоположно заряженных секторах между планками нейтрализатора почти одинакова по секторам и, следовательно, при низком напряжении, в то время как плотность заряда на тех же заряженных секторах, приближающихся к гребенкам коллектора, пики около краев сектора, следовательно, высокое напряжение относительно противоположных гребенок коллектора.[нужна цитата ]

Машины Вимшерста использовались в 19 веке в исследованиях физики. Они также иногда использовались для генерации высокого напряжения для питания Crookes первого поколения. Рентгеновские трубки в течение первых двух десятилетий 20 века, хотя Машины Holtz и индукционные катушки использовались чаще. Сегодня они используются только в научных музеях и образовательных учреждениях для демонстрации принципов электростатики.

Операция

К двум изолирующим дискам, вращающимся в противоположных направлениях (обычно из стекла) прикреплено несколько металлических секторов. Машина оснащена четырьмя небольшими заземленными 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, которые удерживают щетки на типичной машине Вимшерста, имели бы форму буквы «X», если бы можно было видеть сквозь изолирующие диски, поскольку они перпендикулярны друг другу. Гребни для сбора заряда обычно устанавливаются по горизонтали и одинаково контактируют с внешними краями как переднего, так и заднего дисков. Гребни для сбора с каждой стороны обычно подключаются к соответствующим Лейденские банки.

Анимация

Достаточно небольшого заряда на любом из двух дисков, чтобы начать процесс зарядки. Предположим поэтому, что задний диск имеет небольшой чистый электростатический заряд. Для конкретности предположим, что этот заряд положительный (красный) и что задний диск (нижняя цепочка [A]) вращается против часовой стрелки (справа налево). Когда заряженный сектор (движущийся красный квадрат) поворачивается к положению щетки ([Y] стрелка вниз) рядом с передним диском ([B] верхняя цепь около центра), он вызывает поляризацию заряда на проводящем валу ([ Y-Y1] верхняя горизонтальная черная линия), удерживая 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) ([Y1] верхний квадрат становится красным). Поляризованные заряды вала прикрепляются к ближайшим секторам на диске B, в результате чего отрицательный заряд на B [Y] ближе к исходному положительному заряду на A, и положительный заряд на противоположной стороне B [Y1]. После дополнительного поворота на 45 ° ([Z] около середины нижней цепи) положительный (красный) заряд на A (нижняя цепь) отражается приближающимся положительным (красным) зарядом на B ([Z] верхняя цепь). Первая встречающаяся гребенка для сбора (линии со стрелками [Z] на треугольники) позволяет обоим положительным (красным) зарядам покинуть сектора нейтральными (квадраты становятся черными) и накапливаться в аноде лейденской банки (красный треугольник), притянутом к лейденской банке катод (зеленый треугольник). Заряд завершает цикл между дисками, когда искра (желтый зигзаг) разряжает лейденскую банку (красный и зеленый треугольники).

Когда B поворачивается на 90 ° по часовой стрелке (слева направо), индуцированные на нем заряды выравниваются со щетками рядом с диском A [X, X1]. Заряды на B вызывают противоположную поляризацию вала A-щеток, и поляризация вала передается на его диск. Диск B продолжает вращаться, и его заряды накапливаются ближайшими гребенками для сбора заряда.

Диск A вращается на 90 °, так что его заряды совпадают с щеткой диска B [Y, Y1], где противоположная поляризация заряда индуцируется на проводящем валу B и ближайших секторах B, аналогично описанию двумя абзацами выше. .

Процесс повторяется, причем каждая поляризация заряда на A вызывает поляризацию на B, индуцирует поляризацию на A и т. Д. «Влияние» соседних притягивающих секторов индуцирует экспоненциально большие заряды, пока не уравновесится конечной емкостью проводящего вала. Все эти индуцированные положительные и отрицательные заряды собираются гребнями для зарядки лейденских банок, устройств хранения электрического заряда, подобных конденсаторам. Механическая энергия, необходимая для разделения противоположных зарядов на соседних секторах, обеспечивает источник энергии для электрического выхода.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка