.jpg/1280px-Side_view_of_homemade_12%22_Quadruple_Bonetti_Electrostatic_Generator_(Sector-less_Wimshurst_Machine).jpg)
Машина Уимшёрста или машина влияния Уимшёрста — электростатический генератор , машина для генерации высоких напряжений , разработанная в период с 1880 по 1883 год британским изобретателем Джеймсом Уимшёрстом (1832–1903). [ необходима ссылка ]
Он имеет характерный внешний вид с двумя большими дисками, вращающимися в противоположных направлениях, установленными в вертикальной плоскости, двумя скрещенными стержнями с металлическими щетками и искровым разрядником, образованным двумя металлическими сферами.
Эти машины относятся к классу электростатических генераторов, называемых машинами влияния , которые разделяют электрические заряды посредством электростатической индукции или влияния , не завися от трения для своей работы. Более ранние 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, в то время как машина Вимшурста не имеет ни одного из этих недостатков.
В машине Вимшурста два изолированных диска и их металлические сектора вращаются в противоположных направлениях, проходя через скрещенные металлические нейтрализующие стержни и их щетки. Дисбаланс зарядов индуцируется, усиливается и собирается двумя парами металлических гребенок с точками, расположенными вблизи поверхностей каждого диска. Эти коллекторы установлены на изолирующих опорах и подключены к выходным клеммам. Положительная обратная связь увеличивает накапливающиеся заряды экспоненциально до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя диэлектрика воздуха и электрическая искра не проскакивает через зазор.
Машина теоретически не является самозапускающейся, то есть если ни один из секторов на дисках не имеет электрического заряда, то нет ничего, что могло бы индуцировать заряды на других секторах. На практике даже небольшого остаточного заряда на любом секторе достаточно, чтобы запустить процесс, как только диски начнут вращаться. Машина будет работать удовлетворительно только в сухой атмосфере. Для вращения дисков против электрического поля требуется механическая энергия , и именно эту энергию машина преобразует в электрическую энергию искры. Установившийся выход машины Вимшурста представляет собой постоянный (непеременный) ток , пропорциональный площади, охватываемой металлическим сектором, скорости вращения и сложной функции начального распределения заряда. Изоляция и размер машины определяют максимальное выходное напряжение, которое может быть достигнуто. Накопленную энергию искры можно увеличить, добавив пару лейденских банок , ранний тип конденсатора , подходящий для высоких напряжений, с внутренними пластинами банок, независимо подключенными к каждой из выходных клемм, и внешними пластинами банок, соединенными между собой. Типичная машина Уимшурста может вырабатывать искры длиной около трети диаметра диска и силой тока в несколько десятков микроампер.
Доступный коэффициент усиления напряжения можно понять, заметив, что плотность заряда на противоположно заряженных секторах между нейтрализующими стержнями почти равномерна по секторам и, следовательно, при низком напряжении, в то время как плотность заряда на одинаково заряженных секторах, приближающихся к коллекторным гребням, достигает пика вблизи краев сектора, при, следовательно, высоком напряжении относительно противоположных коллекторных гребней. [ необходима ссылка ]
Машины Вимшурста использовались в 19 веке в физических исследованиях. Они также иногда использовались для генерации высокого напряжения для питания рентгеновских трубок Крукса первого поколения в течение первых двух десятилетий 20 века, хотя машины Хольца и индукционные катушки использовались чаще. Сегодня они используются только в научных музеях и образовании для демонстрации принципов электростатики.
Два противоположно вращающихся изолирующих диска (обычно из стекла) имеют ряд металлических секторов, прикрепленных к ним. Машина снабжена четырьмя небольшими 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 в типичной машине Уимшурста, образовали бы форму «X», если бы можно было смотреть сквозь изолирующие диски, поскольку они перпендикулярны друг другу. Гребни для сбора заряда обычно устанавливаются вдоль горизонтали и в равной степени контактируют с внешними краями как переднего, так и заднего дисков. Гребни для сбора заряда с каждой стороны обычно подключаются к соответствующим банкам Лейдена .
Любой небольшой заряд на любом из двух дисков достаточен для начала процесса зарядки. Предположим, 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) вращается в положение щетки (кончик стрелки вниз [Y]) рядом с передним диском (верхняя цепь [B] около центра), он вызывает поляризацию заряда на проводящем валу (верхняя горизонтальная черная линия [Y-Y1]), удерживающем щетку, притягивая отрицательный (зеленый) заряд к ближней стороне (верхний квадрат [Y] становится зеленым), так что положительный (красный) заряд накапливается на дальней стороне (поперек диска, на 180 градусов) (верхний квадрат [Y1] становится красным). Поляризованные заряды вала прикрепляются к ближайшим секторам на диске B, в результате чего отрицательный заряд на B [Y] оказывается ближе к исходному положительному заряду на A, а положительный заряд на противоположной стороне B [Y1]. После дополнительного поворота на 45° ([Z] около середины нижней цепи) положительный (красный) заряд на A (нижняя цепь) отталкивается положительным (красным) зарядом на B ([Z] верхняя цепь), приближающимся к нему. Первая встречающаяся собирающая гребенка ([Z] линии со стрелками на концах к треугольникам) позволяет обоим положительным (красным) зарядам покидать нейтральные сектора (квадраты становятся черными) и накапливаться в аноде лейденской банки (красный треугольник), притягиваемом к катоду лейденской банки (зеленый треугольник). Заряд завершает цикл по дискам, когда искра (желтый зигзаг) разряжает лейденскую банку (красный и зеленый треугольники).
При вращении B на 90° по часовой стрелке (слева направо) индуцированные на нем заряды выстраиваются в линию с щетками рядом с диском A [X, X1]. Заряды на B вызывают противоположную поляризацию вала щеток A, и поляризация вала передается на его диск. Диск B продолжает вращаться, и его заряды накапливаются ближайшими гребнями для сбора зарядов.
Диск A поворачивается на 90° так, что его заряды выстраиваются в линию с щеткой диска B [Y, Y1], где на проводящем валу B и ближайших секторах B индуцируется противоположная зарядовая поляризация, аналогично описанию двумя абзацами выше.
Процесс повторяется, с каждой поляризацией заряда на A, вызывающей поляризацию на B, вызывающей поляризацию на A и т. д. «Влияние» соседних притягивающих секторов вызывает экспоненциально большие заряды, пока не будет уравновешено конечной емкостью проводящего вала. Все эти индуцированные положительные и отрицательные заряды собираются гребнями для зарядки лейденских банок, электрических устройств хранения заряда, подобных конденсаторам. Механическая энергия, необходимая для разделения противоположных зарядов на соседних секторах, обеспечивает источник энергии для электрического выхода.
