Ηλεκτροστατική Μηχανή Wimshurst 30cm

Η μηχανή Wimshurst είναι μια ηλεκτροστατική γεννήτρια, για την παραγωγή υψηλής τάσης που αναπτύχθηκε μεταξύ 1880 και 1883 από το Βρετανό εφευρέτη James Wimshurst (1832-1903). Οι μηχανές αυτές, ανήκουν σε μια κατηγορία ηλεκτροστατικών γεννητριών που ονομάζονται μηχανές επαγωγής, καθώς διαχωρίζουν τα ηλεκτρικά φορτία μέσω ηλεκτροστατικής επαγωγής και δεν εξαρτώνται από την τριβή για τη λειτουργία τους. Νωρίτερα, μηχανές αυτής της κατηγορίας, αναπτύχθηκαν από τον Wilhelm Holtz (1865 και 1867), τον August Toepler (1865), J. Robert Voss (1880) και άλλους. Οι παλαιότερες μηχανές, ήταν λιγότερο αποτελεσματικές και παρουσίαζαν μια απρόβλεπτη τάση να αντιστρέφουν την πολικότητα τους, ελάττωμα που δεν έχει η μηχανή Wimshurst.

Wimshurst

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.
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. 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.

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

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.

Παρατηρήσεις για τη λειτουργία της μηχανής Wimshurst

• 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, 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.

Wimshurst

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.