Електрофорна машина (генератор Вімшурста)

Генератор Вімшурста (Wimshurst) є індукційної електростатичного машиною. У ній статичний заряд утворюється не за допомогою трібоелектрічества, коли присутній тертя, а через індукування зарядів. У цього класу машин вище ККД в порівнянні з тими, де використовується тертя.

Опис машини Вімшурста

Машина складається з двох дисків, які виконані з хорошого діелектрика, наприклад ебоніту, акрилу і т.п. Ці диски вільно насаджені на вісь і можуть обертатися навколо горизонтальної осі. Самі диски розташовуються вертикально. За допомогою рукоятки 1 обидва диска наводяться в різноспрямований обертання. Один диск обертається по годинникової стрілки, а інший проти годинникової. Це забезпечується за допомогою приводних ременів 2 і 3, один з яких перекручений на 180 ° на одному з шківів. За рахунок цього забезпечується різноспрямований обертання дисків, яке необхідно для індукції зарядів. Обидва диски обертаються від однієї рукоятки і тому будуть обертатися одночасно.

На зовнішній частині кожного диска наклеєні металеві смужки 4, які не стосуються країв диска, а виконані на деякій відстані від них. Смужки розташовані радіально, у вигляді променів, що виходять з центру диска. Обидва диска мають однакову кількість і розташування смужок, можна сказати, що один диск є відображенням іншого.

Смужки при обертанні дисків стикаються зі щітками 5, які виконують роль контакту для переносу заряду по провідникам 6, 7, 8 і 9. При роботі машини Вімшурста металеві смужки в місці контакту зі щітками можуть зношуватися і конструктивно цей знос повинен бути зведений до мінімуму, а надійність контакту до максимуму. Провідники 6 і 7 служать для знімання і накопичення утворених зарядів з обох дисків. Провідники 8 і 9 розташовані кожен по одну сторону диска і з’єднують діаметрально протилежні смужки.

Електростатична індукційна машина Вімшурста. Вид збоку

Таким чином ми маємо два типи провідників. Одні (6 і 7) для знімання зарядів, а 8 і 9 для встановлення своєрідної «землі» – лінії нейтрального потенціалу. Провідники 6 і 7 розташовані на одній геометричній діаметральної осі щодо дисків, а провідники 8 і 9 відносно один одного повернені на кут 90 °.

Можна також зауважити, що між провідниками 8 і 9 провідники 6 і 7 розташовані по середині і відстоять на кут 45 °. Таким чином ми бачимо, що конструктивно машина виконана симетрично і досить просто, щоб виготовити її самостійно.

Опис роботи електрофорної машини

При обертанні рукоятки диски починають рухатися в протилежних напрямках. Щітки, які зазвичай виконуються у вигляді мішури починають контактувати то з одними, то з подальшими металевими смужками. З кожним оборотом починає накопичуватися все більший і більший заряд, що забезпечує збільшення потенціалу на контактах 6 і 7. Для кращого накопичення використовують конденсатори у вигляді лейденських банок.

Як тільки накопичений заряд досягає максимального значення для використовуваної конструкції машини Вімшурста, подальше зростання заряду припиняється. Чим більше діаметра дисків і чим більше швидкість обертання, тим більший заряд здатна виробити електрофорна машина.

Як відбувається накопичення заряду?

Припустимо, що перше коло має недолік вільних зарядів, що в нашому випадку означає недолік вільних електронів в металевих пластинах. При русі другого диска його пластини будуть по черзі стикатися зі щітками на провіднику 8, і, відповідно, на них буде утворений надлишок вільних носіїв зарядів.

Це відбувається тому, що пластини з обох сторін, між якими розташований діелектрик (матеріал дисків), являють собою плоский конденсатор, але такий конденсатор, обкладки якого рухаються. Електричний заряд на такому конденсаторі індукується, або інакше кажучи – наводиться.

Далі відбувається наступне. Пластини, другого диска, дійшовши до щіток контакту 6 віддадуть свої електрони в накопичувач у вигляді лейденськоїбанки (конденсатор). Ця лейденська банку буде накопичувати заряд -Q. Потім настане черга наступних за ними пластин і так далі. Аналогічний процес відбувається і на першому диску, так як він так само обертається, але в іншому напрямку. Тут можна сказати, що вільні носії як би викачуються з іншої лейденськоїбанки, тим самим створюючи у ньому недолік електронів, а значить нею набувається заряд + Q.

Чим частіше пластини обох дисків стикаються зі щітками на провідниках 6 і 7, тим більша кількість зарядів накопичується на них. Лейденські банки, якщо вони встановлені, будуть заряджатися все сильніше і сильніше, до тих пір, поки кулонівських сили не почнуть протидіяти подальшому зростанню зарядів. Це означає, що є межа накопичення, який можна характеризувати також і різницею потенціалів (напругою) між двома контактами 6 і 7.

Якщо ж надалі розрядити обидва контакти, які накопичили + Q і -Q, або один на одного, або передати заряд в іншу електричну ємність, то подальше накопичення заряду стане знову можливим.

Ви можете запитати. Звідки береться початковий заряд? Справа в тому, що він існує завжди. Будь-які два провідники, розділені діелектриком (газ, рідина, тверде тіло) завжди мають ємність, і більш того, вони мають різницю потенціалів, що говорить про наявність на одному такому провіднику більшої кількості вільних носіїв зарядів, ніж на іншому.

Електрофорна машина Вімшурста є машиною з самозбудженням, тобто для початку її роботи не потрібно підведення будь-якого додаткового заряду.

Чи є машина Вімшурста генератором енергії?

Більш точно можна сказати, що машина Вімшурста є перетворювачем механічної енергії обертання в енергію електростатичного поля. При роботі такої машини, як втім і будь-який інший, існують втрати на тертя, витоку енергії і т.п. Тому її ККД не може бути більше 100%, і навіть він не може бути дорівнює 100%.

У міру зростання різниці потенціалів, ніж все більший заряд буде накопичуватися, тим сильніше кулонівських сили протидіятимуть механічним. На практиці це означає, що з кожним оборотом дисків буде рости прикладається зусилля. Крім цього будуть втрати на тертя в конструкції і небажані витоку зарядів.

...
ПОДІЛИТИСЯ: