Historique Wimshursst, comment cela fonctionne et applications

La Machine Wimshurst Il s'agit d'un générateur électrostatique de haute tension et d'ampérage faible, capable de produire de l'électricité statique par séparation des charges, grâce à la rotation d'une manivelle. D'un autre côté, les générateurs actuellement utilisés tels que les batteries, les alternateurs et les dynamos sont plutôt des sources de force électromotrice, qui provoquent des mouvements de charge dans un circuit fermé.

La machine Wimshursst a été développée par l'ingénieur britannique et inventeur James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 et 1883, améliorant les versions de générateurs électrostatiques proposés par d'autres inventeurs par d'autres inventeurs.

Machine Wimshurst. Source: Andy Dingley (scanner) [domaine public]

Il se démarque sur les machines électrostatiques précédentes pour son fonctionnement fiable et reproductible et sa construction simple, pouvant générer une différence de potentiel incroyable entre 90.000 et 100.000 volts.

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Parties de la machine Wimshurst

La base de la machine est les deux disques caractéristiques du matériau isolant, avec des feuilles de métal minces attachées et disposées sous forme de secteurs radiaux.

Chaque secteur métallique a un autre diamétralement opposé et symétrique. Les disques ont généralement entre 30 et 40 cm de diamètre, mais ils peuvent également être beaucoup plus âgés.

Les deux albums sont montés sur un plan vertical et une distance entre 1 et 5 mm est séparée. Il est important que pendant le tour, les enregistrements ne soient jamais touchés. Les disques sont tournés dans des sens opposés à travers un mécanisme de poulie.  

La machine Wimshurst a deux barres métalliques parallèles au plan de rotation de chaque album: l'une du côté extérieur du premier album et l'autre vers le côté extérieur du deuxième album. Ces barres sont destinées à un angle par rapport à l'autre.

Les extrémités de chaque barre ont des balais métalliques qui entrent en contact avec les secteurs métalliques opposés sur chaque disque. Ils sont connus comme des barres neutralisantes, pour une bonne raison qui sera vue sous peu.

Les pinceaux maintiennent le secteur du disque qui touche à une extrémité de la barre, avec le contact électrique diamétralement opposé, avec le diamétralement opposé. La même chose se passe dans l'autre album.

L'effet triboélectrique

Les balais et les secteurs de disque sont faits de métaux différents, presque toujours du cuivre ou du bronze, tandis que les disques en aluminium sont en aluminium.

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Le contact éphémère entre eux pendant que les disques tournent et la séparation ultérieure crée la possibilité d'échanger des charges par l'adhésion. Il s'agit de l'effet triboélectrique, qui peut également se produire entre un morceau d'ambre et un tissu en laine, par exemple.

La machine est ajoutée à la machine (peigne) métallique sous la forme d'un U-en forme de U et se termine par des pointes ou des pointes métalliques, situées dans des positions opposées.

Les secteurs des deux albums passent de la partie interne de l'U de collectionneur sans le toucher.  Les collectionneurs sont montés sur une base isolante et sont à leur tour connectés à deux autres barres métalliques finies en sphères, près mais sont jouées.

Lorsque l'énergie mécanique est fournie à la machine au moyen de la manivelle, le Rubb Leyden.

La bouteille ou la cruche de Leyden est un condenseur avec une armure en métal cylindrique. Chaque bouteille est connectée à l'autre par la plaque centrale, formant deux condenseur en série.

Lorsque la manivelle tourne, il y a une différence de potentiel électrique si élevée entre les sphères, que l'air entre eux est ionisé et saute une étincelle. L'appareil complet peut être vu dans l'image ci-dessus.

Principes physiques impliqués

Dans la machine Wimshursst, l'électricité découle de la matière, qui est composée d'atomes. Et ceux-ci sont à leur tour constitués de charges électriques: électrons négatifs et protons positifs.

Dans l'atome, les protons de charge positive sont compactés au centre ou au noyau et les électrons de charge négative autour de leur noyau.

Lorsqu'un matériau perd certains de ses électrons les plus à l'extérieur, il est chargé positivement. Au contraire, si vous capturez des électrons, vous obtenez une charge nette négative. Lorsque la quantité de protons et d'électrons est la même, le matériau est neutre.

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Dans les matériaux isolants, les électrons restent autour de leurs noyaux sans la possibilité de devenir trop loin. Mais dans les métaux, les noyaux sont si proches les uns des autres, que les électrons les plus externes (ou valence) peuvent sauter d'un atome à un autre, se déplaçant à travers le matériau conducteur.

Si l'un des faces d'une plaque métallique est approché un chargé négativement, alors les électrons du métal s'éloignent par répulsion électrostatique, dans ce cas à la face opposée. On dit alors que la plaque a été polarisée. 

Maintenant, si cette plaque polarisée est reliée par un conducteur (barres neutralisantes) par sa face négative à une autre plaque, les électrons se déplaceraient vers cette deuxième plaque. Si la connexion est soudainement coupée, la deuxième plaque est chargée négativement.

Cycle de chargement et de stockage

Pour que la machine Wimshurst démarre, il est nécessaire que certains des secteurs métalliques du disque aient un déséquilibre de charge. Cela se produit naturellement et fréquemment, surtout quand il y a peu d'humidité environnementale.

Lorsque les disques commencent à tourner, il y aura un moment où un secteur neutre du disque opposé s'oppose au secteur chargé. Cela induit un fardeau d'ampleur égale et de la direction opposée grâce aux pinceaux, car les électrons sont mobilisés en s'éloignant ou en s'approchant, selon le signe du secteur face.

Schéma de machine wimshurst. Source: Robertkuhlmann [domaine public]

Les collectionneurs en forme de U sont responsables de la collecte de la charge lorsque les disques sont repoussés.

Pour y parvenir, dans la partie interne de l'U stands U stands comme peignant vers les visages extérieurs de chaque album, mais sans les toucher. L'idée est que sur les pointes, la charge positive est concentrée, de sorte que les électrons expulsés des secteurs sont attirés et s'accumulent dans la plaque centrale des bouteilles.

De cette façon, le secteur face au collecteur perd tous ses électrons et est neutre, tandis que la plaque centrale de Leyden est négativement.

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Dans le collectionneur opposé, les passes opposées, le collectionneur délivre des électrons à la plaque positive qui l'a fait face jusqu'à ce qu'elle soit neutralisée et que le processus soit répété à plusieurs reprises.

Applications et expériences

L'application principale de la machine Wimshursst est d'obtenir l'électricité à partir de chaque signe. Mais il a la gêne occasionnée qu'elle fournit une tension plutôt irrégulière, car elle dépend de l'action mécanique.

L'angle de la barre de neutralisation peut être varié pour configurer à un courant de sortie élevé ou à une tension de sortie élevée. Si les neutralisateurs sont loin des collectionneurs, la machine offre une haute tension (jusqu'à plus de 100 kV).

D'un autre côté, s'ils sont proches des collectionneurs, la tension de sortie diminue et le courant de sortie augmente, pouvant atteindre jusqu'à 10 micro-champions à des vitesses de rotation normales.

Lorsque la charge accumulée atteint une valeur suffisamment élevée, il y a alors un champ électrique élevé dans les sphères connectées aux plaques centrales de la dendrée. 

Ce champ ionise l'air et produit l'étincelle, téléchargeant les bouteilles et donnant naissance à un nouveau cycle de chargement.

Expérience 1

Les effets du champ électrostatique peuvent être vus en plaçant un carton entre les sphères et en observant que les étincelles font des trous dedans.

Expérience 2

Pour cette expérience, il est nécessaire: un pendule fait avec une boule de ping recouverte de papier d'aluminium et deux feuilles de métal sous la forme d'un l.

Le ballon est pendu au milieu des deux feuilles au moyen d'un fil isolant. Chaque feuille se connecte aux électrodes de machine Wimshursst via des câbles de câble.

Lorsque vous tournez la manivelle, la balle initialement neutre varie entre les feuilles. L'un d'eux aura une charge négative excessive qui cédera le ballon, qui sera attiré par la feuille positive.

La balle déposera son excès d'électrons dans cette feuille, elle sera brièvement neutralisée et le cycle sera répété à nouveau pendant que la manivelle tourne toujours.

Les références

1. Queiroz, à. Machines électrostatiques. Récupéré de: coe.Ufrj.BR
2. Gacanovic, myco. 2010. Principes d'application électrostatique. Récupéré de: Orbus.Être