Вимшұрст машинасы: Электростатикалық генератор

Кіріспе

Электростатикалық генератор

Вимшёрст машинасы немесе Вимшёрст әсері машинасы – британдық өнертапқыш Джеймс Вимшёрст (1832–1903) 1880 және 1883 жылдар аралығында жасаған жоғары кернеу тудыратын электростатикалық генератор. Оның екі үлкен, қарама-қарсы айналатын дискісі тік жазықтықта орналасқан, екі қиылысқан штангасында металл щеткалары бар, ал екі металл шардан тұратын ұшқыш саңылауы бар.

Сипаттама

Бұл машиналар электростатикалық индукция немесе әсер арқылы электр зарядтарын бөлетін, олардың жұмыс істеуіне үйкеліс қажет емес, әсер машиналары деп аталатын электростатикалық генераторлар класына жатады. Бұл кластағы алғашқы машиналарды Вильгельм Холц (1865 және 1867 жылдары), Август Топлер (1865), Дж. Роберт Восс (1880) және басқалар жасаған. Ескі машиналар тиімділігі төмен және полярлығын ауыстырудың болжамсыз бейілімділігін көрсетеді, ал Вимшёрст машинасының мұндай кемшіліктері жоқ. Вимшёрст машинасының құрамында екі оқшауланған диск және олардың металл секторлары бар, олар көлденең орналасқан металл нейтрализаторлар мен олардың щеткаларынан өте отырып, қарама-қарсы бағытта айналады. Зарядтардың тепе-теңдігі туындайды, күшейтіледі және екі жұп металл тарақтар арқылы жиналады, олардың ұштары әр дискінің бетіне орналасқан. Бұл коллекторлар оқшаулағыш тіреулерге бекітіліп, шығыс терминалдарына қосылады. Оң кері байланыс ауаның диэлектрлік түзілу кернеуіне жеткенше жинақталған зарядтарды экспоненциалды түрде арттырады, содан кейін электр ұшқыны саңылау арқылы секіреді. Машина теориялық тұрғыдан өздігінен іске қосылмайды, яғни егер дискілердегі секторлардың ешқайсысында электр заряды болмаса, басқа секторларда зарядты тудыруға ештеңе болмайды. Бірақ іс жүзінде, кез келген сектордағы тіпті кішкентай да қалдық заряд дискілер айнала бастағаннан кейін процесті бастауға жеткілікті. Машина тек құрғақ атмосферада ғана қанағаттанарлық жұмыс істейді. Дискілерді электр өрісіне қарсы айналдыру үшін механикалық күш қажет, және осы энергия машина ұшқынның электр қуатына айналдырады. Вимшёрст машинасының тұрақты күйдегі шығысы – металл секторлармен жабылған аумаққа, айналу жылдамдығына және бастапқы зарядтың таралуына пропорционалды тікелей (ауыспалы емес) ток болып табылады. Машинаның оқшаулағыш қасиеттері мен мөлшері қол жетімді ең жоғары шығыс кернеуін анықтайды. Лейден банкаларын (жоғары кернеуге арналған конденсатордың алғашқы түрі) қосу арқылы жинақталған ұшқын энергиясын арттыруға болады, мұнда банкалардың ішкі пластиналары әрқайсысы шығыс терминалдарына тәуелсіз қосылады, ал банкалардың сыртқы пластиналары бірімен-бірі байланысқан. Типик Вимшёрст машинасы дискінің диаметрінің шамамен үштен бірін құрайтын ұзындықтағы және бірнеше ондаған микроамперге жететін ұшқын шығара алады. Нейтрализаторлар арасындағы қарама-қарсы зарядталған секторлардағы зарядтың тығыздығы секторлар бойынша біркелкі болады, сондықтан кернеуі төмен, ал бірдей зарядталған секторлардағы зарядтың тығыздығы коллектор тарақтарына жақындағанда, сектор жиектерінде жоғары кернеуге жетеді, нәтижесінде қарсы коллектор тарақтарына қатысты кернеу жоғары болады. Вимшёрст машиналары 19 ғасырда физикалық зерттеулерде қолданылған. Олар сондай-ақ 20 ғасырдың алғашқы екі онжылдығында бірінші буынның Крукс рентгендік құбырларын қуаттандыру үшін жоғары кернеуді өндіру үшін кейде пайдаланылды, бірақ Холц машиналары мен индукциялық катушкалар көбірек қолданылды. Бүгінде олар ғылым музейлерінде және білім беру мақсатында электростатика принциптерін көрсету үшін ғана қолданылады.

These machines belong to a class of electrostatic generators called influence machines, which separate electric charges through electrostatic induction, or influence, not depending on friction for their operation. Earlier machines in this class were developed by Wilhelm Holtz (1865 and 1867), August Toepler (1865), J. Robert Voss (1880), and others. The older machines are less efficient and exhibit an unpredictable tendency to switch their polarity, while the Wimshurst machine has neither defect. In a Wimshurst machine, the two insulated discs and their metal sectors rotate in opposite directions passing the crossed metal neutralizer bars and their brushes. An imbalance of charges is induced, amplified, and collected by two pairs of metal combs with points placed near the surfaces of each disc. These collectors are mounted on insulating supports and connected to the output terminals. The positive feedback increases the accumulating charges exponentially until the dielectric breakdown voltage of the air is reached and an electric spark jumps across the gap. The machine is theoretically not self starting, meaning that if none of the sectors on the discs has any electrical charge, there is nothing to induce charges on other sectors. In practice, even a small residual charge on any sector is enough to start the process going once the discs start to rotate. The machine will work satisfactorily only in a dry atmosphere. It requires mechanical power to turn the disks against the electric field, and it is this energy that the machine converts into the electric power of the spark. The steady state output of the Wimshurst machine is a direct (non alternating) current that is proportional to the area covered by the metal sector, the rotation speed, and a complicated function of the initial charge distribution. The insulation and size of the machine determine the maximal output voltage that can be reached. The accumulated spark energy can be increased by adding a pair of Leyden jars, an early type of capacitor suitable for high voltages, with the jars’ inner plates independently connected to each of the output terminals and the jars’ outer plates interconnected. A typical Wimshurst machine can produce sparks that are about a third of the disc's diameter in length and several tens of microamperes. The available voltage gain can be understood by noting that the charge density on oppositely charged sectors, between the neutralizer bars, is nearly uniform across the sectors, and thus at low voltage, while the charge density on same charged sectors, approaching the collector combs, peaks near the sector edges, at a consequently high voltage relative to the opposite collector combs. Wimshurst machines were used during the 19th century in physics research. They were also occasionally used to generate high voltage to power the first generation Crookes X ray tubes during the first two decades of the 20th century, although Holtz machines and induction coils were more commonly used. Today they are used only in science museums and education to demonstrate the principles of electrostatics.

Операция

Екі қарсы айналатын оқшаулағыш дискіде (әдетте шыныдан жасалған) оларға бірнеше металл секторлар жабысады. Машинада төрт кішкентай щетка (аппараттың әр жағында екі-екіден 90°-та бір-біріне қарай өткізгіш біліктерде) және заряд жинау тісшелері бар. Уимшёрст машинасының щеткаларын ұстайтын өткізгіш біліктер, егер оқшаулағыш дискілер арқылы көруге болатын болса, "Х" пішінін қалыптастырады, өйткені олар бір-біріне перпендикуляр. Заряд жинау тісшелері әдетте көлденең бойлай орнатылады және алдыңғы және артқы дискілердің сыртқы жиектеріне бірдей тиеді. Әр жағындағы жинақтау тісшелері әдетте тиісті Лейден банкаларына қосылады. Екі дискінің кез келгенінде кішкене зарядтау процесін бастау үшін жеткілікті. Артқы дискіде аз, таза электростатикалық заряд бар деп есептейік. Нақтылығы үшін, бұл заряд оң (қызыл) және артқы дискі ([A] төменгі тізбегі) сағат тіліне қарсы (оңнан солға) айналады деп есептейік. Зарядталған сектор (қозғалатын қызыл квадрат) алдыңғы дискінің (ортаға жақын [B] жоғарғы тізбегі) жанындағы щетканың ([Y] төмен қарай жебе ұшы) орнына айналғанда, ол щетканы ұстап тұрған өткізгіш біліктегі ([Y Y1] жоғарғы көлденең қара сызық) зарядтың поляризациясын тудырады, теріс (жасыл) зарядты жақын жағына тартады ([Y] жоғарғы квадрат жасыл түске айналады), сондықтан оң (қызыл) заряд алыс жақта (дискі арқылы, 180 градус қашықтықта) жиналады ([Y1] жоғарғы квадрат қызыл түске айналады). Шахтаның поляризацияланған зарядтары B дискісіндегі ең жақын секторларға жалғасады, нәтижесінде B [Y] -дегі теріс заряд A -дегі бастапқы оң зарядқа жақын және B [Y1] -дің қарама-қарсы жағында оң заряд болады. Қосымша 45° айналғаннан кейін ([Z] төменгі тізбектің ортасына жақын), А (төменгі тізбек) жағымды (қызыл) зарядты жақындап келе жатқан B ([Z] жоғарғы тізбек) жағымды (қызыл) заряды кері қайтарады. Бірінші жинақтау тісшесі ([Z] жебе ұшы сызықтар үшбұрышқа) кездескен оң (қызыл) зарядтардың секторларды бейтарап қалдыруға (шаршыларды қараға айналдыруға) және Лейден банкасы катодына (жасыл үшбұрышқа) тартылған Лейден банкасы анодына (қызыл үшбұрышқа) жиналуға мүмкіндік береді. Заряд дискілердегі циклды толықтырады, онда бір ұшқын (сары зигзаг) Лейден банкасын (қызыл және жасыл үшбұрыштарды) босатады. B сағат жүрісімен 90° айналғанда (солдан оңға қарай), оған әсер етілген зарядтар A [X, X1] дискісінің жанындағы щеткалармен қатар келеді. B-дегі зарядтар A-ның бұрандалы валына қарсы поляризацияны тудырады, ал валдың поляризациясы оның дискісіне беріледі. B дискісі айналып тұрады және оның зарядтары жақын орналасқан заряд жинау тісшелері арқылы жинақталады. А дискісі 90° айналады, сондықтан оның зарядтары B дискісінің [Y, Y1] щеткасымен қатар келеді, онда B өткізгіш білігінде және B-нің ең жақын секторларында қарама-қарсы зарядтың поляризациясы пайда болады, жоғарыда екі абзацта сипатталғандай. Бұл процесс қайталанады, әр зарядтың поляризациясы А-да поляризацияны В-да, поляризацияны А-да және т.б. тудырады. Көршілес тартымды секторлардың "әсері" өткізгіш оқпанның шекті сыйымдылығымен теңдестірілгенше, экспоненциалды түрде үлкен зарядтарды тудырады. Осы индукцияланған оң және теріс зарядтардың барлығы конденсаторларға ұқсас электр зарядын сақтау құрылғылары Лейден банкаларын зарядтау үшін тісшелермен жиналады. Екі сектордағы қарама-қарсы зарядтарды бөлу үшін қажетті механикалық энергия электрлік шығыс үшін энергия көзі болып табылады.

The two contra rotating insulating discs (usually made of glass) have a number of metal sectors stuck onto them. The machine is provided with four small brushes (two on each side of the machine on conducting shafts at 90° to each other), plus a pair of charge collection combs. The conducting shafts, that hold the brushes on a typical Wimshurst machine, would form the shape of an "X", if one could see through the insulating discs, as they are perpendicular to each other. The charge collection combs are typically mounted along the horizontal and equally contact the outer edges of both front and back discs. The collection combs on each side are usually connected to respective Leyden jars. Any small charge on either of the two discs suffices to begin the charging process. Suppose, therefore, that the back disc has a small, net electrostatic charge. For concreteness, assume this charge is positive (red) and that the back disc ([A] lower chain) rotates counter clockwise (right to left). As the charged sector (moving red square) rotates to the position of the brush ([Y] down arrow tip) next to front disc ([B] upper chain near center), it induces a polarization of charge on the conducting shaft ([Y Y1] upper horizontal black line) holding the brush, attracting negative (green) charge to the near side ([Y] upper square becoming green), so that positive (red) charge accumulates on the far side (across the disc, 180 degrees away) ([Y1] upper square becoming red). The shaft's polarized charges attach to the nearest sectors on disc B, resulting in negative charge on B [Y] closer to the original positive charge on A, and positive charge on the opposite side of B [Y1]. After an additional 45° rotation ([Z] near lower chain middle), the positive (red) charge on A (lower chain) is repelled by a positive (red) charge on B ([Z] upper chain) approaching. The first collection comb ([Z] arrow tipped lines to triangles) encountered allows both positive (red) charges to leave the sectors neutral (squares becoming black), and accumulate in the Leyden jar anode (red triangle) attracted to the Leyden jar cathode (green triangle). The charge completes the cycle across the discs when a spark (yellow zigzag) discharges the Leyden jar (red and green triangles). As B rotates 90° clockwise (left to right), the charges that have been induced on it line up with the brushes next to disc A [X, X1]. The charges on B induce the opposite polarization of the A brushes' shaft, and the shaft's polarization is transferred to its disc. Disc B keeps rotating and its charges are accumulated by the nearest charge collection combs. Disc A rotates 90° so that its charges line up with the brush of disc B [Y, Y1], where an opposite charge polarization is induced on the B conducting shaft and the nearest sectors of B, similar to the description two paragraphs above. The process repeats, with each charge polarization on A inducing polarization on B, inducing polarization on A, etc. The "influence" of neighboring attractive sectors induces exponentially larger charges, until balanced by the conducting shaft's finite capacitance. All of these induced positive and negative charges are collected by combs to charge the Leyden jars, electrical charge storage devices similar to capacitors. The mechanical energy required to separate the opposing charges on the adjacent sectors provides the energy source for the electrical output.