Генератор Вимшурста (Wimshurst) является индукционной электростатической машиной. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. У этого класса машин выше КПД в сравнении с теми, где используется трение.
Описание машины Вимшурста
Машина состоит из двух дисков, которые выполнены из хорошего диэлектрика, например эбонита, акрила и т.п. Эти диски свободно насажены на ось и могут вращаться вокруг горизонтальной оси. Сами диски располагаются вертикально. С помощью рукоятки 1 оба диска приводятся в разнонаправленное вращение. Один диск вращается по часовой стрелки, а другой против часовой. Это обеспечивается с помощью приводных ремней 2 и 3, один из которых перекручен на 180° на одном из шкивов. За счет этого обеспечивается разнонаправленное вращение дисков, которое необходимо для индукции зарядов. Оба диска вращаются от одной рукоятки и поэтому будут вращаться одновременно.
На наружной части каждого диска наклеены металлические полоски 4, которые не касаются краев диска, а выполнены на некотором расстоянии от них. Полоски расположены радиально, в виде лучей, исходящих из центра диска. Оба диска имеют одинаковое количество и расположение полосок, можно сказать, что один диск является отражением другого.
Полоски при вращении дисков соприкасаются со щётками 5, которые выполняют роль контакта для переноса заряда по проводникам 6, 7, 8 и 9. При работе машины Вимшурста металлические полоски в месте контакта со щетками могут изнашиваться и конструктивно этот износ должен быть сведен к минимуму, а надежность контакта к максимуму. Проводники 6 и 7 служат для съема и накопления образованных зарядов с обоих дисков. Проводники 8 и 9 расположены каждый по одну сторону диска и соединяют диаметрально противоположные полоски.
Таким образом мы имеем два типа проводников. Одни (6 и 7) для съема зарядов, а 8 и 9 для установления своеобразной «земли» - линии нейтрального потенциала. Проводники 6 и 7 расположены на одной геометрической диаметральной оси относительно дисков, а проводники 8 и 9 относительно друг друга повернуты на угол 90°.
Можно также заметить, что между проводниками 8 и 9 проводники 6 и 7 расположены по середине и отстоят на угол 45°. Таким образом мы видим, что конструктивно машина выполнена симметрично и достаточно просто, чтобы изготовить ее самостоятельно.
Описание работы электрофорной машины
При вращении рукоятки диски начинают двигаться в противоположных направлениях. Щетки, которые обычно выполняются в виде мишуры начинают контактировать то с одними, то с последующими металлическими полосками. С каждым оборотом начинает накапливаться всё больший и больший заряд, что обеспечивает увеличение потенциала на контактах 6 и 7. Для лучшего накопления используют конденсаторы в виде лейденских банок.
Как только накопленный заряд достигает максимального значения для используемой конструкции машины Вимшурста, дальнейший рост заряда прекращается. Чем больше диаметра дисков и чем больше скорость вращения, тем больший заряд способна выработать электрофорная машина.
Как происходит накопление заряда?
Предположим, что первый круг имеет недостаток свободных зарядов, что в нашем случае означает недостаток свободных электронов в металлических пластинах. При движении второго диска его пластины будут поочередно соприкасаться со щетками на проводнике 8, и, соответственно, на них будет образован избыток свободных носителей зарядов.
Это происходит потому, что пластины с обоих сторон, между которыми расположен диэлектрик (материал дисков), представляют собой плоский конденсатор, но такой конденсатор, обкладки которого двигаются. Электрический заряд на таком конденсаторе индуцируется, или иначе говоря — наводится.
Дальше происходит следующее. Пластины, второго диска, дойдя до щеток контакта 6 отдадут свои электроны в накопитель в виде лейденской банки (конденсатор). Эта лейденская банка будет накапливать заряд -Q. Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее. Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении. Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд +Q.
Чем чаще пластины обоих дисков соприкасаются со щетками на проводниках 6 и 7, тем большее количество зарядов накапливается на них. Лейденские банки, если они установлены, будут заряжаться всё сильнее и сильнее, до тех пор, пока кулоновские силы не начнут противодействовать дальнейшему накоплению зарядов. Это значит, что есть предел накопления, который можно характеризовать также и разностью потенциалов (напряжением) между двумя контактами 6 и 7.
Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q и -Q, либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.
Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд? Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.
Электрофорная машина Вимшурста является машиной с самовозбуждением, то есть для начала ее работы не требуется подвод какого-либо дополнительного заряда.
Является ли машина Вимшурста генератором энергии?
Более точно можно сказать, что машина Вимшурста является преобразователем механической энергии вращения в энергию электростатического поля. При работе такой машины, как впрочем и любой другой, существуют потери на трение, утечки энергии и т.п. Поэтому ее КПД не может быть более 100%, и даже он не может быть равен 100%.
По мере роста разности потенциалов, чем всё больший заряд будет накапливаться, тем сильнее кулоновские силы будут противодействовать механическим. На практике это означает, что с каждым оборотом дисков будет расти прикладываемое усилие. Кроме этого будут потери на трение в конструкции и нежелательные утечки зарядов.
Оборудование для кабинета физики
Источник: electricity-automation.com