WIMSHURST-MACHINE: GESCHIEDENIS, HOE HET WERKT EN TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2025

De Wimshurst-machine is een elektrostatische generator met hoog voltage en lage stroomsterkte die statische elektriciteit kan opwekken door ladingen te scheiden, dankzij de draai van een slinger. Aan de andere kant zijn de momenteel gebruikte generatoren zoals batterijen, dynamo's en dynamo's eerder bronnen van elektromotorische kracht, waardoor ladingen in een gesloten circuit kunnen bewegen.

De Wimshurst-machine is ontwikkeld door de Britse ingenieur en uitvinder James Wimshurst (1832-1903) tussen 1880 en 1883, en verbeterde versies van elektrostatische generatoren voorgesteld door andere uitvinders.

Wimshurst-machine. Bron: Andy Dingley (scanner)

Het onderscheidt zich van eerdere elektrostatische machines door zijn betrouwbare, reproduceerbare werking en eenvoudige constructie, en kan een duizelingwekkend potentiaalverschil tussen 90.000 en 100.000 volt genereren.

Wimshurst machine-onderdelen

De basis van de machine zijn de twee karakteristieke schijven van isolatiemateriaal, waaraan dunne metalen platen zijn bevestigd en gerangschikt in de vorm van radiale sectoren.

Elke metaalsector heeft een andere diametraal tegenovergestelde en symmetrische. De schijven zijn meestal tussen de 30 en 40 cm in doorsnee, maar kunnen ook veel groter zijn.

Beide schijven zijn in een verticaal vlak gemonteerd en hebben een onderlinge afstand van 1 tot 5 mm. Het is belangrijk dat de schijven elkaar tijdens het draaien nooit raken. Door middel van een katrolmechanisme worden de schijven in tegengestelde richting gedraaid.

De Wimshurst-machine heeft twee metalen staven evenwijdig aan het rotatievlak van elke schijf: één naar de buitenkant van de eerste schijf en de andere naar de buitenkant van de tweede schijf. Deze staven snijden elkaar onder een hoek ten opzichte van elkaar.

De uiteinden van elke staaf hebben metalen borstels die contact maken met tegenoverliggende metalen sectoren op elke schijf. Ze staan ​​bekend als neutralisatiestaven, om een ​​goede reden die binnenkort zal worden besproken.

De borstels houden elektrisch (metaalachtig) contact met de sector van de schijf die het ene uiteinde van de staaf raakt, met de sector diametraal tegenover. Hetzelfde gebeurt op het andere album.

Het tribo-elektrische effect

De borstels en sectoren van de schijf zijn gemaakt van verschillende metalen, bijna altijd koper of brons, terwijl de bladen van de schijven zijn gemaakt van aluminium.

Het vluchtige contact tussen hen terwijl de schijven draaien en de daaropvolgende scheiding, creëert de mogelijkheid om ladingen uit te wisselen door middel van adhesie. Dit is het tribo-elektrische effect, dat bijvoorbeeld ook kan optreden tussen een stuk barnsteen en een wollen doek.

Een paar U-vormige metalen collectoren (kammen) worden aan de machine toegevoegd met metalen punten of spikes, die zich in tegenovergestelde posities bevinden.

De sectoren van beide schijven gaan door het interne deel van de collector U zonder deze aan te raken. De collectoren zijn gemonteerd op een isolerende basis en zijn op hun beurt verbonden met twee andere metalen staven die eindigen in bollen, dichtbij elkaar maar elkaar ook niet raken.

Wanneer mechanische energie aan de machine wordt geleverd door middel van de slinger, produceert de wrijving van de borstels het tribo-elektrische effect dat de ladingen scheidt, waarna de reeds gescheiden elektronen worden opgevangen door de collectoren en opgeslagen in twee apparaten, flessen met Leiden.

De Leidse fles of kan is een condensor met cilindrische metalen frames. Elke fles is met elkaar verbonden door de centrale plaat en vormt zo twee condensatoren in serie.

Door aan de slinger te draaien, ontstaat een zo groot verschil in elektrisch potentieel tussen de bollen dat de lucht ertussen ioniseert en een vonk springt. Het complete apparaat is te zien in de afbeelding hierboven.

In de Wimshurst-machine komt elektriciteit uit materie, die uit atomen bestaat. En deze zijn op hun beurt weer opgebouwd uit elektrische ladingen: negatieve elektronen en positieve protonen.

In het atoom zitten de positief geladen protonen in het centrum of de kern en de negatief geladen elektronen rond de kern.

Wanneer een materiaal enkele van zijn buitenste elektronen verliest, wordt het positief geladen. Omgekeerd, als je sommige elektronen opvangt, krijg je een netto negatieve lading. Als het aantal protonen en elektronen gelijk is, is het materiaal neutraal.

In isolatiematerialen blijven elektronen rond hun kernen zonder te ver te kunnen afdwalen. Maar bij metalen bevinden de kernen zich zo dicht bij elkaar dat de buitenste elektronen (of valentie) van het ene atoom naar het andere kunnen springen en door het geleidende materiaal bewegen.

Als een negatief geladen object een van de vlakken van een metalen plaat nadert, dan verplaatsen de elektronen van het metaal zich door elektrostatische afstoting, in dit geval naar het tegenoverliggende vlak. De plaat zou dan gepolariseerd zijn geraakt.

Als deze gepolariseerde plaat nu door een geleider (neutraliserende staven) aan de negatieve kant is verbonden met een andere plaat, zouden de elektronen naar deze tweede plaat gaan. Als de verbinding plotseling wordt verbroken, wordt de tweede plaat negatief geladen.

Laad- en opslagcyclus

Om de Wimshurst-machine op te starten, moet een van de metaalsectoren op de schijf een onbalans in de belasting hebben. Dit gebeurt van nature en vaak, vooral als er weinig luchtvochtigheid is.

Wanneer de schijven beginnen te draaien, zal er een tijd zijn dat een neutrale sector van de tegenoverliggende schijf zich tegenover de geladen sector bevindt. Dit veroorzaakt een lading van gelijke grootte en tegengestelde richting dankzij de borstels, aangezien de elektronen weggaan of naderen, volgens het teken van de tegenoverliggende sector.

Schematische voorstelling van de Wimshurst-machine. Bron: RobertKuhlmann

De U-vormige verzamelaars zijn verantwoordelijk voor het verzamelen van de lading wanneer de schijven elkaar afstoten, omdat ze zijn geladen met ladingen van hetzelfde teken, zoals weergegeven in de figuur, en deze lading opslaan in de Leidse flessen die ermee verbonden zijn.

Om dit te bereiken, steekt het interne deel van de U kamachtige pieken uit die naar de buitenzijden van elke schijf zijn gericht, maar zonder ze aan te raken. Het idee is dat positieve lading zich concentreert op de toppen, zodat de elektronen die uit de sectoren worden verdreven worden aangetrokken en zich ophopen in de centrale plaat van de flessen.

Op deze manier verliest de sector tegenover de collector al zijn elektronen en blijft hij neutraal, terwijl de centrale plaat van de Leidse negatief geladen is.

In de tegenoverliggende collector gebeurt het tegenovergestelde, de collector levert elektronen aan de positieve plaat die er tegenover staat totdat deze wordt geneutraliseerd en het proces wordt continu herhaald.

Toepassingen en experimenten

De belangrijkste toepassing van de Wimshurst-machine is om elektriciteit uit elk bord te halen. Maar het heeft het nadeel dat het een nogal onregelmatige spanning levert, aangezien het afhankelijk is van de mechanische bediening.

De hoek van de neutralisatorbalken kan worden gevarieerd om een ​​hoge uitgangsstroom of een hoge uitgangsspanning in te stellen. Als de neutralisatoren ver van de collectoren verwijderd zijn, levert de machine een hoge spanning (tot meer dan 100 kV).

Aan de andere kant, als ze dicht bij de collectoren zijn, neemt de uitgangsspanning af en neemt de uitgangsstroom toe, en kan deze tot 10 micro-ampère bereiken bij normale rotatiesnelheden.

Wanneer de geaccumuleerde lading een voldoende hoge waarde bereikt, wordt een hoog elektrisch veld geproduceerd in de bollen die zijn verbonden met de centrale platen van de Leidse.

Dit veld ioniseert de lucht en produceert de vonk, waardoor de flessen worden ontladen en een nieuwe oplaadcyclus ontstaat.

Experiment 1

De effecten van het elektrostatische veld kunnen worden ingezien door een vel karton tussen de bollen te plaatsen en te observeren dat de vonken er gaten in maken.

Experiment 2

Voor dit experiment heb je nodig: een slinger gemaakt van een pingpongbal bedekt met aluminiumfolie en twee L-vormige metalen platen.

De bal wordt door middel van een isolatiedraad in het midden van de twee platen gehangen. Elk vel is met kabels met klemmen verbonden met de elektroden van de Wimshurst-machine.

Terwijl de slinger wordt gedraaid, zal de aanvankelijk neutrale bal tussen de bladen oscilleren. Een van hen zal een teveel aan negatieve lading hebben die zal wijken voor de bal, die zal worden aangetrokken door het positieve vel.

De bal zal zijn overtollige elektronen op dit vel afzetten, het wordt kort geneutraliseerd en de cyclus herhaalt zich zolang de slinger blijft draaien.

Referenties

1. De Queiroz, A. elektrostatische machines. Hersteld van: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Principes van elektrostatische toepassingen. Opgehaald van: orbus.be