WIMSHURST MAKINESI: TARIH, NASIL ÇALIŞIR VE UYGULAMALAR - FIZIKSEL - 2025

Wimshurst makinesi , bir krank dönüş sayesinde ücretleri ayrılması statik elektriği üretebilen bir yüksek gerilim, düşük amperaj elektrostatik jeneratör vardır. Öte yandan, bataryalar, alternatörler ve dinamolar gibi halihazırda kullanılan jeneratörler daha ziyade elektromotor kuvvet kaynaklarıdır ve kapalı bir devrede yük hareketlerine neden olur.

Wimshurst makinesi, İngiliz mühendis ve mucit James Wimshurst (1832-1903) tarafından 1880 ile 1883 arasında geliştirildi ve diğer mucitler tarafından önerilen elektrostatik jeneratörlerin versiyonlarını geliştirdi.

Wimshurst makinesi. Kaynak: Andy Dingley (tarayıcı)

Güvenilir, tekrarlanabilir çalışması ve basit yapısı ile önceki elektrostatik makinelere göre öne çıkıyor ve 90.000 ile 100.000 volt arasında şaşırtıcı bir potansiyel farkı oluşturabiliyor.

Wimshurst makine parçaları

Makinenin tabanı, radyal sektörler şeklinde tutturulmuş ve düzenlenmiş ince metal levhalara sahip iki karakteristik yalıtım malzemesi diskidir.

Her metal sektörün, taban tabana zıt ve simetrik başka bir kısmı vardır. Disklerin çapı genellikle 30 ila 40 cm arasındadır, ancak çok daha büyük de olabilir.

Her iki disk de dikey bir düzleme monte edilir ve 1 ila 5 mm arasında bir mesafe ile ayrılır. Disklerin dönme sırasında asla temas etmemesi önemlidir. Diskler, kasnak mekanizması ile zıt yönlerde döndürülür.

Wimshurst makinesinde, her diskin dönme düzlemine paralel iki metal çubuk bulunur: biri birinci diskin dışına, diğeri ikinci diskin dışına doğru. Bu çubuklar birbirine göre bir açıyla kesişir.

Her çubuğun uçlarında, her diskteki karşıt metal sektörlerle temas eden metal fırçalar bulunur. Kısaca tartışılacak olan iyi bir nedenden dolayı nötrleştirici çubuklar olarak bilinirler.

Fırçalar, sektör taban tabana zıt olacak şekilde çubuğun bir ucuna dokunan disk sektörü ile elektriksel (metalik) temas halinde tutar. Aynı şey diğer albümde de oluyor.

Triboelektrik etki

Diskin fırçaları ve sektörleri, neredeyse her zaman bakır veya bronz olmak üzere farklı metallerden yapılırken, disklerin kanatları alüminyumdan yapılmıştır.

Diskler dönerken aralarındaki kısa süreli temas ve sonraki ayrılma, yapışma yoluyla yük alışverişi olasılığını yaratır. Bu, örneğin bir kehribar parçası ile yünlü bir kumaş arasında da meydana gelebilen triboelektrik etkidir.

Makineye zıt konumlarda bulunan metal çivi veya çıkıntılı sonlandırmalarla bir çift U şeklinde metal toplayıcı (tarak) eklenir.

Her iki diskin sektörleri kollektörün U iç kısmına dokunmadan geçer. Kollektörler, yalıtkan bir kaide üzerine monte edilir ve sırayla, birbirine yakın, ancak birbirine değmeyen, küre şeklinde biten diğer iki metal çubuğa bağlanır.

Makineye krank vasıtasıyla mekanik enerji verildiğinde, fırçaların sürtünmesi, yükleri ayıran triboelektrik etkiyi üretir, daha sonra ayrılmış olan elektronlar toplayıcılar tarafından yakalanır ve şişe adı verilen iki cihazda depolanır. Leyden'e.

Leyden şişesi veya sürahisi, silindirik metal çerçeveli bir kondansatördür. Her şişe, seri olarak iki kapasitör oluşturan merkezi plaka ile birbirine bağlanır.

Krankın döndürülmesi, küreler arasındaki elektrik potansiyelinde o kadar yüksek bir fark yaratır ki aralarındaki hava iyonlaşır ve kıvılcım atlar. Cihazın tamamı yukarıdaki resimde görülebilir.

Wimshurst makinesinde elektrik, atomlardan oluşan maddeden çıkar. Ve bunlar da elektrik yüklerinden oluşur: negatif elektronlar ve pozitif protonlar.

Atomda, pozitif yüklü protonlar merkezde veya çekirdekte ve negatif yüklü elektronlar çekirdeğin etrafında paketlenir.

Bir malzeme en dıştaki elektronlarının bir kısmını kaybettiğinde, pozitif yüklü hale gelir. Tersine, bazı elektronları yakalarsanız, net bir negatif yük elde edersiniz. Proton ve elektron sayısı eşit olduğunda malzeme nötrdür.

Yalıtım malzemelerinde elektronlar, çok fazla sapma kabiliyeti olmadan çekirdeklerinin etrafında kalırlar. Ancak metallerde çekirdekler birbirine o kadar yakındır ki, en dıştaki elektronlar (veya değerlik) iletken malzeme boyunca hareket ederek bir atomdan diğerine atlayabilir.

Negatif yüklü bir nesne, bir metal plakanın yüzeylerinden birine yaklaşırsa, metalin elektronları elektrostatik itme ile uzaklaşır, bu durumda bu durumda karşı yüze. Plakanın daha sonra polarize olduğu söylenir.

Şimdi, bu polarize plaka negatif tarafındaki bir iletkenle (nötrleştirici çubuklar) başka bir plakaya bağlanırsa, elektronlar bu ikinci plakaya hareket eder. Bağlantı aniden kesilirse, ikinci plaka negatif olarak yüklenir.

Yükleme ve depolama döngüsü

Wimshurst makinesinin önyüklenmesi için diskteki metal sektörlerden birinin yük dengesizliğine sahip olması gerekir. Bu, özellikle az nem olduğunda doğal olarak ve sık sık olur.

Diskler dönmeye başladığında, karşı diskin nötr bir sektörünün yüklü sektöre karşı geldiği bir zaman olacaktır. Bu, elektronlar sektörün işaretine göre uzaklaştıkça veya yaklaştıkları için fırçalar sayesinde ona eşit büyüklükte ve ters yönde bir yük oluşturur.

Wimshurst makinesinin şeması. Kaynak: RobertKuhlmann

U şeklindeki toplayıcılar, şekilde gösterildiği gibi aynı işaretin şarjı ile yüklendikleri için diskler birbirini ittiğinde yükü toplamaktan ve söz konusu yükü kendilerine bağlı Leyden şişelerinde depolamaktan sorumludur.

Bunu başarmak için, U'nun iç kısmı, her diskin dış yüzlerine doğru, ancak onlara dokunmadan, tarak benzeri tepeler çıkarır. Buradaki fikir, pozitif yükün uçlara yoğunlaşması, böylece sektörlerden atılan elektronların çekilmesi ve şişelerin orta plakasında birikmesidir.

Bu şekilde toplayıcıya bakan sektör tüm elektronlarını kaybeder ve nötr kalır, Leyden'in merkezi plakası ise negatif olarak yüklenir.

Karşı kollektörde bunun tersi olur, kolektör nötrleşene ve işlem sürekli tekrarlanana kadar elektronları kendisine bakan pozitif plakaya iletir.

Uygulamalar ve deneyler

Wimshurst makinesinin ana uygulaması, her burçtan elektrik elde etmektir. Ancak, mekanik çalıştırmaya bağlı olduğu için oldukça düzensiz bir voltaj sağlaması dezavantajına sahiptir.

Nötrleştirici çubukların açısı, yüksek çıkış akımını veya yüksek çıkış voltajını ayarlamak için değiştirilebilir. Nötrleştiriciler kollektörlerden uzaksa, makine yüksek voltaj sağlar (100 kV'den fazla).

Öte yandan kollektörlere yakın iseler çıkış voltajı düşer ve çıkış akımı artar, normal dönüş hızlarında 10 mikroamper'e kadar ulaşabilir.

Biriken yük yeterince yüksek bir değere ulaştığında Leyden'in merkezi plakalarına bağlanan kürelerde yüksek bir elektrik alanı üretilir.

Bu alan havayı iyonlaştırır ve kıvılcım üretir, şişeleri boşaltır ve yeni bir şarj döngüsüne yol açar.

Deney 1

Elektrostatik alanın etkileri, küreler arasına bir karton levha yerleştirilerek ve kıvılcımların içinde delikler açtığı gözlemlenerek takdir edilebilir.

Deney 2

Bu deney için ihtiyacınız olacak: alüminyum folyo ile kaplı bir pinpon topundan ve iki L şeklinde metal levhadan yapılmış bir sarkaç.

Top, bir yalıtım teli vasıtasıyla iki tabakanın ortasına asılır. Her bir tabaka Wimshurst makinesinin elektrotlarına kelepçeli kablolarla bağlanır.

Krank döndürüldüğünde, başlangıçta nötr olan top bıçaklar arasında salınır. Bunlardan biri, pozitif tabaka tarafından çekilecek olan topa yol açacak aşırı bir negatif yüke sahip olacaktır.

Top fazla elektronlarını bu kağıda biriktirecek, kısaca nötralize edilecek ve krank dönmeye devam ettiği sürece döngü tekrarlanacaktır.

Referanslar

1. De Queiroz, A. Elektrostatik Makineler. Kurtarıldı: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Elektrostatik Uygulama Esasları. Orbus.be'den kurtarıldı