Il generatore Wimshurst o la macchina elettroforo è un dispositivo elettrostatico a induzione progettato come fonte continua di energia elettrica. Nel 21° secolo, viene utilizzato come tecnica ausiliaria per dimostrare esperimenti fisici relativi a vari effetti e fenomeni elettrici.
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Un po' di storia dell'invenzione
Nel 1865, il fisico sperimentale tedesco, August Tepler, sviluppò i disegni finali della macchina dell'elettroforo. Allo stesso tempo, la seconda scoperta indipendente di tale unità è stata fatta dallo scienziato tedesco Wilhelm Holz. La principale differenza del dispositivo era la capacità di ottenere una maggiore potenza e differenza di potenziale. Holtz è considerato il creatore di una fonte di corrente elettrica continua.
Il semplice progetto iniziale della macchina elettroforo fu migliorato nel 1883 da James Wimshurst d'Inghilterra.La sua modifica è utilizzata in tutti i laboratori fisici per una dimostrazione visiva di esperimenti.
Il design della macchina per elettroforesi
2 dischi coassiali ruotano l'uno contro l'altro, mentre trasportano i condensatori più semplici da settori in alluminio. A causa di processi casuali, nel momento primario si forma una carica sul sito di uno dei segmenti. Il fenomeno è causato dal processo di attrito contro l'aria. A causa della simmetria del design, è impossibile prevedere in anticipo il segno finale.
Il design utilizza 2 vasi di Leida. Creano un unico sistema da condensatori collegati in serie. Ciò ha l'effetto di raddoppiare i requisiti di tensione di esercizio in ciascun serbatoio. È necessario selezionare gli stessi valori nominali, questa è la chiave per una distribuzione uniforme della tensione di esercizio.
I neutralizzatori induttivi sono progettati per scaricare la tensione. L'intera struttura ricorda un pettine di metallo sospeso a una certa distanza sopra il disco. Entrambi i dischi con segni equivalenti della superficie esterna arrivano al punto di rimozione della carica. I neutralizzatori sono accoppiati. Dopo lo scarico, la carica dei segmenti si riduce notevolmente. Nei modelli aggiuntivi, la spazzola entra facilmente in contatto con il bordo del disco.
L'operatore, utilizzando la forza dell'azionamento elettrico o la propria mano, unisce forzatamente gli elementi repulsivi del sistema. Le accuse che interagiscono tra loro cercano di calmarsi il più possibile. Il processo contribuisce ad un forte aumento della densità di carica superficiale in tutti i punti di rimozione.
L'elettricità viene raccolta in barattoli di Leiden dalle creste dei neutralizzatori. C'è un rapido aumento della tensione.Uno spinterometro collegato a 2 elettrodi aiuta a evitare il guasto del sistema. È possibile ottenere un arco di diversa intensità regolando la distanza tra di loro. C'è una relazione: più forte è l'intensità del campo tra i 2 spinterometro, più rumoroso sarà l'effetto che accompagna il processo di svuotamento dei vasetti di Leiden.
I segmenti rimangono vuoti oltre il punto di rimozione della carica. A valle, i potenziali equalizzatori o neutralizzatori sono installati secondo il principio di funzionamento. Ogni lato opposto del disco ha già dato carica a diverse spazzole. Al momento del passaggio per il punto di raccolta e dopo di esso, i segni di carica residua sono diversi.
Un pezzo di filo di rame spesso con spazzole dei fili più sottili che si librano a bassa altezza o segmenti di sfregamento contribuisce alla chiusura di questi opposti. Il risultato: le cariche su entrambi i segmenti sono pari a zero, tutta l'energia viene convertita secondo la legge di Joule-Lenz in calore generato sul nucleo di rame addensato.
Cosa sono le banche di Leiden
Il primo condensatore elettrico creato dagli scienziati olandesi Pieter van Muschenbroek era un vaso di Leida. Il condensatore inventato ha la forma di un cilindro con collo largo o medio di diversi diametri. Il barattolo di Leida è di vetro. Dall'interno e dall'esterno viene incollato con una speciale lamiera di latta. Il prodotto è coperto da un coperchio di legno. La funzione principale dell'invenzione è l'accumulo e lo stoccaggio di grosse cariche.
La creazione di una tale banca è stata stimolata da un ampio studio dell'elettricità, dalla velocità generale della sua distribuzione e dalle proprietà di conducibilità elettrica di vari materiali. Grazie a lei è stato possibile per la prima volta produrre artificialmente una scintilla elettrica.Ora le lattine di Leiden sono utilizzate solo come parte integrante delle macchine elettroforesi.
Qual è il principio di funzionamento della macchina per elettroforesi
Dalla forza dell'operatore, viene presa l'energia per cambiare i segni. Già tra equalizzatori e spazzole, i dischi si muovono con reciproca repulsione l'uno verso l'altro. Il numero di giri al minuto gioca un ruolo. Densità di carica aumentata. La carica più forte dei dischi opposti spinge i residui attraverso le lunghezze del filo di rame. Da ciò segue l'energia sufficiente per cambiare il segno.
Aumentando la densità superficiale, la carica viene rimossa dal dispositivo. Ad un certo punto si fanno le riserve di energia nella banca di Leiden, un altro posto serve per cambiare il segno. I neutralizzatori a induzione non hanno praticamente differenze. Entrambi svolgono una funzione comune di neutralizzare l'energia. Schema generale:
- Ci sono 2 tipi di condensatori nel progetto: banchi di Leiden dove si accumula la carica e una combinazione di un segmento di entrambi i dischi con un dielettrico e un rivestimento in alluminio.
- Esistono 2 tipi di neutralizzatori che riducono la carica dei segmenti di alluminio. Il primo serve per cambiare il segno o la polarizzazione, il secondo per caricare il barattolo di Leida.
Tutta l'energia non viene dall'attrito di alluminio e rame o dall'elettrificazione dell'aria. Viene creato riempiendo forzatamente i condensatori con la forza di torsione del disco. Tutti i processi vengono eseguiti a causa di un forte aumento della densità di carica superficiale nei punti di rimozione.
Applicazione della macchina per elettroforesi
Dagli anni '70. la macchina Wimshurst non viene utilizzata per la produzione diretta di energia elettrica.Oggi funge da mostra storica che illustra la storia dell'emergere e dello sviluppo del progresso scientifico e tecnologico e dell'ingegneria. Una dimostrazione di laboratorio, per la quale viene realizzata una macchina elettrofora, mostra i vari fenomeni ed effetti dell'elettricità.
È accettabile utilizzare neutralizzatori a induzione, rimuovendo le cariche dai dielettrici liquidi, come l'olio. È pericoloso ottenere una scintilla nell'aria in qualsiasi produzione, può portare a conseguenze disastrose, fumo e persino un'esplosione.
La storia delle scoperte e della ricerca nel campo dell'elettricità è strettamente correlata all'uso di varie strutture e dispositivi per ottenere cariche elettriche. La macchina dell'elettroforo ha svolto il suo ruolo nella ricerca scientifica, la cui azione si basa sull'eccitazione dell'elettricità dovuta all'induzione.
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