Wimshurst 기계는 , 크랭크 회전 덕분 전하 분리에 의해 정전기를 발생시킬 수있는 높은 전압, 저 전류량 정전기 발생기이다. 반면에 배터리, 교류 발전기 및 발전기와 같이 현재 사용되는 발전기는 오히려 기전력의 원천이므로 폐쇄 회로에서 전하의 움직임을 유발합니다.
Wimshurst 기계는 영국 엔지니어이자 발명가 인 James Wimshurst (1832-1903)가 1880 년에서 1883 년 사이에 개발하여 다른 발명가가 제안한 정전기 발생기 버전을 개선했습니다.
Wimshurst 기계. 출처 : Andy Dingley (스캐너)
신뢰할 수 있고 재현 가능한 작동 및 간단한 구조로 인해 이전의 정전기 기계보다 눈에 띄며 90,000 ~ 100,000V의 엄청난 전위차를 생성 할 수 있습니다.
Wimshurst 기계 부품
기계의 바닥은 얇은 금속 시트가 부착되고 방사형 섹터 형태로 배열 된 두 가지 특징적인 절연 재료 디스크입니다.
각 금속 섹터는 또 다른 정반대 대칭을 가지고 있습니다. 디스크는 일반적으로 직경이 30 ~ 40cm이지만 훨씬 더 클 수도 있습니다.
두 디스크는 모두 수직면에 장착되며 1 ~ 5mm 거리로 분리됩니다. 회전하는 동안 디스크가 절대로 닿지 않는 것이 중요합니다. 디스크는 풀리 메커니즘을 통해 반대 방향으로 회전합니다.
Wimshurst 기계에는 각 디스크의 회전 평면에 평행 한 두 개의 금속 막대가 있습니다. 하나는 첫 번째 디스크의 외부를 향하고 다른 하나는 두 번째 디스크의 외부를 향합니다. 이 막대는 서로에 대해 비스듬히 교차합니다.
각 막대의 끝에는 각 디스크의 반대쪽 금속 섹터와 접촉하는 금속 브러시가 있습니다. 그것들은 중화제 막대로 알려져 있으며, 그 이유는 곧 논의 될 것입니다.
브러시는 막대의 한쪽 끝에 닿는 디스크 섹터와 전기 (금속) 접촉을 유지하며 섹터는 정반대입니다. 다른 앨범에서도 마찬가지입니다.
마찰 전기 효과
디스크의 브러시와 섹터는 거의 항상 구리 또는 청동과 같은 서로 다른 금속으로 만들어지며 디스크 블레이드는 알루미늄으로 만들어집니다.
디스크가 회전하는 동안 그들 사이의 일시적인 접촉과 이후의 분리는 접착을 통해 전하를 교환 할 수있는 가능성을 만듭니다. 이것은 예를 들어 호박 조각과 모직 천 사이에서도 발생할 수있는 마찰 전기 효과입니다.
한 쌍의 U 자형 금속 수집기 (빗)가 반대 위치에있는 금속 팁 또는 스파이크로 기계에 추가됩니다.
두 디스크의 섹터는 건드리지 않고 수집기 U의 내부 부분을 통과합니다. 컬렉터는 절연베이스에 장착되고 차례로 구체로 끝나는 두 개의 다른 금속 막대에 연결되지만 둘 중 하나에 닿지 않습니다.
크랭크를 통해 기계 에너지가 기계에 공급 될 때 브러시의 마찰은 전하를 분리하는 마찰 전기 효과를 생성하고, 그 후에 이미 분리 된 전자는 수집기에 의해 포착되어 병이라는 두 장치에 저장됩니다. 레이든.
Leyden 병 또는 주전자는 원통형 금속 프레임이있는 콘덴서입니다. 각 병은 중앙 플레이트로 서로 연결되어 두 개의 커패시터를 직렬로 형성합니다.
크랭크를 돌리면 구 사이의 공기가 이온화되고 스파크가 점프하는 구 사이의 전위차가 크게 발생합니다. 전체 장치는 위의 이미지에서 볼 수 있습니다.
Wimshurst 기계에서 전기는 원자로 구성된 물질에서 나옵니다. 그리고 이것들은 차례로 전하로 구성됩니다 : 음의 전자와 양의 양성자.
원자에서 양전하를 띤 양성자는 중심 또는 핵과 음전하를 띤 전자가 핵 주위에 모여 있습니다.
물질이 가장 바깥 쪽 전자 일부를 잃으면 양전하를 띠게됩니다. 반대로, 일부 전자를 포획하면 순 음전하를 얻습니다. 양성자와 전자의 수가 같으면 물질은 중성입니다.
절연 물질에서 전자는 너무 멀리 벗어나지 않고 핵 주위에 머물러 있습니다. 그러나 금속에서 핵은 서로 너무 가까워서 가장 바깥 쪽의 전자 (또는 원자가)가 한 원자에서 다른 원자로 점프하여 전도성 물질 전체를 이동할 수 있습니다.
음전하를 띤 물체가 금속판의면 중 하나에 접근하면 금속의 전자가 정전기 반발에 의해이 경우 반대면으로 이동합니다. 그런 다음 판이 편광되었다고합니다.
이제이 편광판이 음극의 도체 (중화 막대)로 다른 판에 연결되면 전자는이 두 번째 판으로 이동합니다. 연결이 갑자기 끊어지면 두 번째 플레이트가 음으로 충전됩니다.
로드 및 보관주기
Wimshurst 시스템을 부팅하려면 디스크의 금속 섹터 중 하나에로드 불균형이 있어야합니다. 이것은 특히 습도가 거의 없을 때 자연스럽고 자주 발생합니다.
디스크가 회전하기 시작하면 반대편 디스크의 중립 섹터가로드 된 섹터와 반대되는 시간이 있습니다. 이것은 브러시 덕분에 동일한 크기와 반대 방향의 전하를 유도합니다. 전자가 서로 마주 보는 섹터의 부호에 따라 멀어 지거나 가까워지기 때문입니다.
Wimshurst 기계의 개략도. 출처 : RobertKuhlmann
U 자형 수집기는 그림과 같이 동일한 부호의 전하로 충전되기 때문에 디스크가 서로 밀어 낼 때 전하를 모으고 연결된 Leyden 병에 저장합니다.
이를 달성하기 위해 U의 내부 부분은 각 디스크의 외부면을 향하는 빗 모양의 봉우리를 튀어 나오지만 만지지 않습니다. 아이디어는 양전하가 팁에 집중되어 섹터에서 방출 된 전자가 병의 중앙 플레이트에 끌어 모으고 축적된다는 것입니다.
이런 식으로 콜렉터를 향한 섹터는 모든 전자를 잃고 중립을 유지하는 반면 Leyden의 중앙 플레이트는 음전하를 띠게됩니다.
반대쪽 컬렉터에서 반대가 일어나고, 컬렉터는 중화되고 프로세스가 계속 반복 될 때까지 마주 보는 양극판에 전자를 전달합니다.
응용 프로그램 및 실험
Wimshurst 기계의 주요 용도는 각 표지판에서 전기를 얻는 것입니다. 그러나 기계적 작동에 의존하기 때문에 다소 불규칙한 전압을 공급한다는 단점이 있습니다.
중화기 바의 각도는 높은 출력 전류 또는 높은 출력 전압을 설정하기 위해 변경 될 수 있습니다. 중화제가 수집기에서 멀리 떨어져있는 경우 기계는 고전압 (최대 100kV 이상)을 제공합니다.
반면에 콜렉터에 가까우면 출력 전압이 감소하고 출력 전류가 증가하며 정상 회전 속도에서 최대 10 마이크로 암페어에 도달 할 수 있습니다.
축적 된 전하가 충분히 높은 값에 도달하면 Leyden의 중앙 플레이트에 연결된 구체에 높은 전기장이 생성됩니다.
이 필드는 공기를 이온화하고 스파크를 생성하여 병을 배출하고 새로운 충전주기를 발생시킵니다.
실험 1
정전기 장의 효과는 구체 사이에 판지를 놓고 스파크가 구멍을 만드는 것을 관찰함으로써 알 수 있습니다.
실험 2
이 실험을 위해서는 알루미늄 호일로 덮인 탁구 공으로 만든 진자와 두 개의 L 자형 금속 시트가 필요합니다.
볼은 절연 와이어를 사용하여 두 장의 중간에 매달려 있습니다. 각 시트는 클램프가있는 케이블로 Wimshurst 기계의 전극에 연결됩니다.
크랭크를 돌리면 초기 중립 볼이 블레이드 사이에서 진동합니다. 그들 중 하나는 공에 양보 할 과도한 음전하를 가지게 될 것이고, 이는 양의 시트에 끌릴 것입니다.
공은이 시트에 여분의 전자를 축적하고 잠시 중화되고 크랭크가 계속 회전하는 한주기가 다시 반복됩니다.
참고 문헌
- De Queiroz, A. 정전기 기계. 출처 : coe.ufrj.br
- Gacanovic, Mico. 2010. 정전기 적용 원리. 출처 : orbus.be