Войти
 Машина Вимшерста с двумя лейденскими банками. | |
| Тип | электростатический генератор |
|---|---|
| Inventor | Джеймс Вимшерст |
| Начало | c.1880 год |
Технический чертеж машины Вимшерста из Руководства по электричеству Хокинса 
Воспроизвести медиа Машина Вимшерста в работе Машина влияния Вимшерста - электростатический генератор, машина для генерирования высоких напряжений, разработанная между 1880 и 1883 годами британским изобретателем Джеймсом Вимшерстом (1832–1903 гг.)).
Он имеет характерный внешний вид с двумя большими дисками, вращающимися в противоположных направлениях, установленными в вертикальной плоскости, двумя перекрещенными стержнями с металлическими щетками и искровым разрядником, образованным двумя металлическими сферами.
Эти машины относятся к классу электростатических генераторов называемые машинами воздействия, которые разделяют электрические заряды через электростатическую индукцию или влияют, независимо от трения, для их работы. Ранее машины этого класса были разработаны Вильгельмом Хольцем (1865 и 1867), Августом Топлером (1865), Дж. Робертом Фоссом (1880) и другими. Старые машины менее эффективны и демонстрируют непредсказуемую тенденцию к переключению полярности. У Wimshurst этого дефекта нет.
В машине Вимшерста 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 в геометрической прогрессии до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя диэлектрика воздуха и электрическая искра не проскочит через зазор.
Теоретически машина не запускается автоматически, 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 начать процесс, когда диски начинают вращаться. Аппарат удовлетворительно работает только в сухой атмосфере. Для поворота дисков против электрического поля требуется механическая энергия, и именно эту энергию машина преобразует в электрическую энергию искры. Выход установившегося состояния машины Вимшерста представляет собой постоянный (не переменный) ток, который пропорционален площади, покрытой металлическим сектором, скорости вращения и сложной функцией начального распределения заряда. Изоляция и размер машины определяют максимальное выходное напряжение, которое может быть достигнуто. Накопленную энергию искры можно увеличить, добавив пару лейденских банок, конденсатора раннего типа, подходящего для высоких напряжений, с внутренними пластинами банок, независимо подключенными к каждому выходу. терминалы и внешние пластины банок соединены 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 При приближении к коллекторным гребенкам пики у краев секторов, следовательно, имеют высокое напряжение относительно противоположных коллекторных гребенок.
Машины Вимшерста использовались в 19 веке в исследованиях физики. Они также иногда использовались для генерации высокого напряжения для питания рентгеновских трубок Крукса первого поколения в течение первых двух десятилетий 20-го века, хотя машины Хольца и индукционные катушки использовались чаще. Сегодня они используются только в научных музеях и образовательных учреждениях для демонстрации принципов электростатики.
На двух вращающихся в противоположных направлениях изолирующих шайбах (обычно сделанных из стекла) наклеено 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 соединены с соответствующими лейденскими банками.
Анимация Для начала процесса зарядки достаточно небольшого заряда на любом из двух дисков. Предположим поэтому, что задний диск имеет небольшой чистый электростатический заряд. Для конкретности предположим, что этот заряд положительный (красный) и что задний диск (нижняя цепь [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 щетку, 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] в 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 вращается на 90 ° по часовой стрелке (слева направо), индуцированные на нем заряды совпадают 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 со щеткой диска B [Y, Y1], где противоположная поляризация заряда индуцируется на проводящем валу B и ближайших секторах B, аналогично к 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 вызывает 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.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с машинами Wimshurst. |
