Οδηγός για τη μηχανή Wimshurst

Οδηγός για τη μηχανή Wimshurst

Λειτουργία της Μηχανής

Ο καλύτερος τρόπος να καταλάβετε πως λειτουργεί η μηχανή Wimshurst, είναι να δείτε το σχετικό βίντεο MIT Physics Demo – The Wimshurst Machine και παράλληλα να διαβάσετε το παρακάτω κείμενο.

Η μηχανή Wimshurst ξεκινά με ένα μικρό ηλεκτρικό φορτίο που βρίσκεται στα αγώγιμα φύλλα σε ένα από τους δύο δίσκους. Το φορτίο αυτό, προέρχεται γενικά από το περιβάλλον με αποτέλεσμα οι δίσκοι να μην είναι εντελώς ουδέτεροι. Αν δεν υπάρχει κάποιο αρχικό φορτίο, η μηχανή δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει, δεδομένου ότι χρειάζεται φορτίο για να επαχθεί φορτίο. Το φορτίο αυτό μπορεί να είναι είτε θετικό είτε αρνητικό. Για τους σκοπούς της περιγραφής, ας υποθέσουμε ότι το φορτίο του πίσω δίσκου είναι αρνητικό.

Πηγή: MIT Physics Demo -- The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Πηγή: MIT Physics Demo — The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Καθώς ο τροχός περιστρέφεται, το αρνητικό φορτίο θα κινηθεί προς τη θέση της βούρτσας του εμπρός δίσκου. Όταν ευθυγραμμιστεί με αυτή τη βούρτσα, θα επάγει ένα θετικό φορτίο στα αγώγιμα φύλλα ακριβώς απέναντι στον εμπρός δίσκο. Αυτό το θετικό φορτίο, με τη σειρά του, θα προκαλέσει ένα αρνητικό φορτίο που θα εμφανιστεί στον εμπρός δίσκο στο άλλο άκρο της βούρτσας.

Πηγή: MIT Physics Demo -- The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Πηγή: MIT Physics Demo — The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Καθώς οι δίσκοι συνεχίζουν να περιστρέφονται, το αρχικό αρνητικό φορτίο θα φτάσει στη βούρτσα συλλογής φορτίου και θα αποθηκευτεί στον πυκνωτή. Παράλληλα, τα θετικά και αρνητικά φορτία στον εμπρός δίσκο θα περιστρέφονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όταν ευθυγραμμιστούν με το βραχίωνα του πίσω δίσκου, θα προκαλέσουν ένα θετικό και αρνητικό φορτίο στα αγώγιμα φύλλα απέναντι τους.

Πηγή: MIT Physics Demo -- The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Πηγή: MIT Physics Demo — The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Αυτά τα νέα φορτία, θα περιστραφούν μέχρι να ευθυγραμμιστούν με το βραχίωνα του πίσω δίσκου, προκαλώντας περισσότερα φορτία, ενώ τα υπόλοιπα θα φτάσουν στη βούρτσα συλλογής φορτίου και θα αποθηκευτούν στον πυκνωτή.

Πηγή: MIT Physics Demo -- The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Πηγή: MIT Physics Demo — The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Αυτός ο κύκλος συνεχίζεται, με όλο και περισσότερα επαγώμενα φορτία που στη συνέχεια αποθηκεύονται. Όταν στις μεταλλικές σφαίρες του εκκενωτή συσσωρευτεί αρκετή ποσότητα αντίθετων ηλεκτρικών φορτίων, η διαφορά δυναμικού σ’ αυτές γίνεται αρκετά μεγάλη, εκατοντάδων χιλιάδων βολτ τότε παράγεται ηλεκτρικός σπινθήρας. Στη συνέχεια, το σύνολο του κύκλου επαναλαμβάνεται.

Πηγή: MIT Physics Demo -- The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Πηγή: MIT Physics Demo — The Wimshurst Machine (http://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og)

Παρατηρήσεις για τη λειτουργία της μηχανής

  • Λόγω αυτής της ανάδρασης, η ηλεκτροστατική μηχανή αυτοδιεγείρεται δηλαδή αναπτύσσεται με τη τριβή το πρώτο μικρό ηλεκτρικό φορτίο και στη συνέχεια τα φορτία παράγονται με αμοιβαία ηλεκτροστατική επίδραση. Το φαινόμενο μοιάζει σαν το φαινόμενο της χιονοστιβάδας.
  • Η μηχανή, αφού διεγερθεί δίνει σε κάθε χρονική μονάδα τα ίδια περίπου ποσά αντίθετων, ηλεκτρικών φορτίων, και επομένως η αύξηση της διαφοράς δυναμικού στις μεταλλικές σφαίρες είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την χωρητικότητα των πυκνωτών της μηχανής.
  • Η πολικότητα των ηλεκτροδίων είναι πάντα η ίδια αφού για κάθε επόμενη χρήση το είδος του φορτίου είναι αυτό που έχει απομείνει από την προηγούμενη χρήση. Μπορούμε να αντιστρέψουμε την πολικότητα της μηχανής, περιστρέφοντας λίγο ανάποδα (αριστερόστροφα) τη λαβή.
  • Για ορισμένη απόσταση μεταλλικών σφαιρών του εκκενωτή, οι σπινθήρες είναι τόσο συχνότεροι, όσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα των πυκνωτών.
  • Η μηχανή παράγει αραιούς σπινθήρες γιατί χρειάζονται μεγάλα ποσά ηλεκτρικών φορτίων για να φθάσει η διαφορά δυναμικού στην απαιτούμενη τιμή για να σκάσει ηλεκτρικός σπινθήρας. Αλλά στην περίπτωση αυτή οι σπινθήρες είναι παχείς και πολύ φωτεινοί και συνδέονται με ισχυρό κρότο.
  • Αν διακόψουμε την επαφή των εξωτερικών οπλισμών των πυκνωτών, αφαιρώντας το οριζόντιο μεταλλικό στέλεχος ([7] στην εικόνα 1), η χωρητικότητα μειώνεται και οι σπινθήρες αναπτύσσονται χωρίς αισθητή διακοπή, είναι όμως πολύ αδύνατοι (μόλις που φαίνονται).

Παροχή

Παροχή μιας ηλεκτροστατικής μηχανής ονομάζουμε το πηλίκο του ηλεκτρικού φορτίου που παράγεται από τη μηχανή σε ορισμένο χρόνο προς το χρόνο αυτό. Βρίσκεται πειραματικά αν φορτίσουμε με την μηχανή, πυκνωτή γνωστής χωρητικότητας C και μετρήσουμε το δυναμικό που απέκτησε ο πυκνωτής σε χρόνο t. Τότε ο πυκνωτής θα έχει ηλεκτρικό φορτίο q=C*V και επομένως η παροχή της μηχανής θα είναι Π=C*V/t. Η παροχή της μηχανής είναι ανάλογη προς την ταχύτητα περιστροφής των δίσκων της και είναι πολύ μικρή.

Ισχύς που αποδίδει

Η ισχύς της μηχανής, δηλαδή η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει στη μονάδα του χρόνου, βρίσκεται πειραματικά αν φορτίσουμε με τη μηχανή, πυκνωτή γνωστής χωρητικότητας και μετρήσουμε το δυναμικό που αποκτά ο πυκνωτής σε χρόνο t. Τότε η ισχύς της μηχανής θα δίνεται από τη σχέση: P=C*V2/2*t.
Αριθμητικό παράδειγμα:
Αν μια μηχανή φορτίζει σε χρόνο t=10sec πυκνωτή χωρητικότητας C=0,2μF σε δυναμικό 50.000V τότε η παροχή της μηχανής θα είναι 25W. Η ισχύς αυτή είναι πολύ μικρή για πρακτικές εφαρμογές και ακίνδυνη για το ανθρώπινο σώμα παρά το δυσάρεστο συναίσθημα που προκαλείται όταν η ηλεκτρική εκφόρτιση της μηχανής γίνει μέσω του ανθρώπινου σώματος.

Συντήρηση

Αυτοκόλλητο που κολλάμε στα ΕΚΦΕ Ηρακλείου σε κάθε μηχανή που επισκευάζουμε

Αυτοκόλλητο που κολλάμε στα ΕΚΦΕ Ηρακλείου σε κάθε μηχανή που επισκευάζουμε

Διατηρούμε τη μηχανή μέσα σε πλαστική σακούλα για να μην έρχεται σε επαφή με υγρασία και σκόνες και την τοποθετούμε σε χώρο ξηρό (κατά προτίμηση σε κάποιο ψηλό σημείο).

Πριν από κάθε χρήση, ξεσκονίζουμε τη μηχανή με ένα πινέλο προσέχοντας να μην αγγίξουμε με τα δάκτυλά μας τις ψήκτρες.

Στρέφουμε τη μανιβέλα έχοντας τις σφαίρες σε επαφή και σιγά-σιγά τις απομακρύνουμε. Αν δεν παράγεται ηλεκτρικός σπινθήρας αυτό μπορεί να οφείλεται στην υγρασία που υπάρχει στη μηχανή.

Αν η μηχανή εξακολουθεί να μην διεγείρεται, τοποθετούμε μία νάιλον σακούλα ανάμεσα στους δίσκους και περιστρέφουμε τη μανιβέλα μερικές φορές. Σε ακραίες περιπτώσεις υγρασίας στην ατμόσφαιρα ξηραίνουμε το χώρο γύρω από τη μηχανή με σεσουάρ η αερόθερμο.