História de Wimshursst, como funciona e aplicações

O Máquina Wimshurst É um gerador eletrostático de alta tensão e baixa amperagem, capaz de produzir eletricidade estática por separação de cargas, graças ao giro de uma manivela. Por outro lado, os geradores atualmente usados, como baterias, alternadores e dínamos, são fontes de força eletromotora, que causam movimentos de carga em um circuito fechado.

A máquina Wimshursst foi desenvolvida pelo engenheiro e inventor britânico James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 e 1883, melhorando as versões de geradores eletrostáticos propostos por outros inventores por outros inventores.

Máquina Wimshurst. Fonte: Andy Dingley (Scanner) [Domínio Público]

Ele se destaca em máquinas eletrostáticas anteriores para sua operação confiável e reproduzível e construção simples, sendo capaz de gerar uma incrível diferença de potencial entre 90.000 e 100.000 volts.

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Partes da máquina Wimshurst

A base da máquina são os dois discos característicos do material isolante, com finas finas de metal presas e dispostas na forma de setores radiais.

Cada setor de metal tem outro diametralmente oposto e simétrico. Os discos geralmente têm entre 30 e 40 cm de diâmetro, mas também podem ser muito mais velhos.

Ambos os álbuns são montados em um plano vertical e uma distância entre 1 a 5 mm é separada. É importante que durante a curva os registros nunca sejam tocados. Os discos são transformados em sentidos opostos através de um mecanismo de polia.  

A máquina Wimshurst tem duas barras de metal paralelas ao plano de rotação de cada álbum: um para o lado externo do primeiro álbum e o outro em direção ao lado externo do segundo álbum. Essas barras são destinadas em um ângulo em relação ao outro.

As extremidades de cada barra têm vassouras de metal que fazem contato com os setores de metal opostos em cada disco. Eles são conhecidos como barras neutralizantes, por um bom motivo que será visto em breve.

Os pincéis mantêm o setor de disco que toca em uma extremidade da barra, com o contato elétrico diametralmente oposto, com o diametralmente oposto. O mesmo acontece no outro álbum.

O efeito triboelétrico

As vassouras e os setores de disco são feitos de metais diferentes, quase sempre cobre ou bronze, enquanto os discos de alumínio são feitos de alumínio.

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O contato fugaz entre eles enquanto os discos giram e a separação subsequente, cria a possibilidade de trocar cargas através da adesão. Este é o efeito triboelétrico, que também pode ocorrer entre um pedaço de âmbar e um pano de lã, por exemplo.

A máquina é adicionada à máquina (Combs) metálica na forma de um u -ema.

Os setores de ambos os álbuns passam da parte interna do U do colecionador sem tocá -lo.  Os colecionadores são montados em uma base isolante e, por sua vez.

Quando a energia mecânica é fornecida à máquina por meio da manivela, o lixo Leyden.

A garrafa ou jarro de Leyden é um condensador com armadura de metal cilíndrica. Cada garrafa é conectada ao outro pela placa central, formando dois condensadores em série.

Quando a manivela gira, há uma diferença de potencial elétrico tão alta entre as esferas, que o ar entre elas é ionizado e pula uma faísca. O dispositivo completo pode ser visto na imagem acima.

Princípios físicos envolvidos

Na máquina Wimshursst, a eletricidade sai da matéria, que é composta por átomos. E estes, por sua vez, são compostos de cargas elétricas: elétrons negativos e prótons positivos.

No átomo, os prótons de carga positiva são compactados no centro ou núcleo e os elétrons de carga negativa ao redor do núcleo.

Quando um material perde alguns de seus elétrons mais externos, é carregado positivamente. Pelo contrário, se você capturar alguns elétrons, obterá carga líquida negativa. Quando a quantidade de prótons e elétrons é a mesma, o material é neutro.

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Em materiais isolantes, os elétrons permanecem em torno de seus núcleos sem a possibilidade de ir muito longe. Mas em metais os núcleos estão tão próximos um do outro, que os elétrons mais externos (ou valência) podem pular de um átomo para outro, movendo -se por todo o material condutor.

Se uma das faces de uma placa de metal for abordada de uma carga negativa, os elétrons do metal se afastam por repulsão eletrostática, neste caso para a face oposta. É dito então que a placa foi polarizada. 

Agora, se essa placa polarizada for conectada por um motorista (barras neutralizantes) por seu rosto negativo em outro prato, os elétrons se moveriam para esta segunda placa. Se a conexão for de repente cortada, a segunda placa é carregada negativamente.

Ciclo de carga e armazenamento

Para que a máquina Wimshurst inicie, é necessário que alguns dos setores de metal do disco tenham um desequilíbrio de carga. Isso acontece natural e freqüentemente, especialmente quando há pouca umidade ambiental.

Quando os discos começarem a girar, haverá um momento em que um setor neutro do disco oposto se opõe ao setor carregado. Isso induz um fardo de igual magnitude e a direção oposta graças aos pincéis, uma vez que os elétrons são mobilizados se afastando ou se aproximando, de acordo com o sinal do setor de faceded.

Esquema de Máquina Wimshurst. Fonte: Robertkuhlmann [Domínio Público]

Os colecionadores em forma de u são responsáveis ​​por coletar a carga quando os discos são repelidos.

Para conseguir isso, na parte interna do U Stands Peaks como penteados em direção às faces externas de cada álbum, mas sem tocá -las. A idéia é que, nas dicas, a carga positiva seja concentrada, de modo que os elétrons expulsos dos setores sejam atraídos e se acumulem na placa central das garrafas.

Dessa maneira.

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No coletor oposto, o oposto passa, o coletor entrega elétrons à placa positiva que a enfrenta até que seja neutralizada e o processo seja repetidamente repetidamente.

Aplicações e experimentos

A principal aplicação da máquina Wimshursst é obter eletricidade de cada sinal. Mas tem a inconveniência de fornecer uma tensão bastante irregular, pois depende da ação mecânica.

O ângulo da barra de neutralização pode variar para configurar em alta corrente de saída ou com alta tensão de saída. Se os neutralizadores estiverem longe dos colecionadores, a máquina oferece uma alta tensão (até mais de 100 kV).

Por outro lado, se estiverem próximos dos colecionadores, a tensão de saída diminui e a corrente de saída aumenta, sendo capaz de atingir até 10 micro -champion em velocidades de rotação normais.

Quando a carga acumulada atinge um valor alto o suficiente, há um campo elétrico alto nas esferas conectadas às placas centrais do Denden. 

Este campo ioniza o ar e produz a faísca, baixando as garrafas e dando origem a um novo ciclo de carga.

Experiência 1

Os efeitos do campo eletrostático podem ser vistos colocando um papelão entre as esferas e observando que as faíscas fazem buracos nele.

Experiência 2

Para este experimento, é necessário: um pêndulo feito com uma bola de ping coberta com papel alumínio e duas folhas de metal na forma de um L -Shapeed.

A bola é enforcada no meio de ambos os lençóis por meio de um fio isolante. Cada folha se conecta aos eletrodos da máquina Wimshursst através de cabos de cabo.

Ao girar a manivela, a bola inicialmente neutra varia entre os lençóis. Um deles terá excesso de carga negativa que cederá à bola, que será atraída para a folha positiva.

A bola depositará seu excesso de elétrons nesta folha, ela será brevemente neutralizada e o ciclo será repetido novamente enquanto a manivela ainda está girando.

Referências

1. Queiroz, para. Máquinas eletrostáticas. Recuperado de: Coe.Ufrj.Br
2. Gacanovic, Myco. 2010. Princípios de aplicação eletrostática. Recuperado de: Orbus.Ser