Immagine da Liceo Classico G. Cesare - Roma.

Immagine da Liceo Classico G. Cesare - Roma.

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Descrizione
La macchina elettrostatica di Wimshurst è diffusa in moltissimi laboratori scolastici per la conduzione di esperienze sull'elettricità statica (e per l'accensione dei tubi a scarica): infatti, sfruttando il principio dell'elettrizzazione per strofinio (effetto triboelettrico) e per induzione, con essa è possibile raggiungere tensioni continue molto elevate. La macchina è piuttosto complessa. Essenzialmente è costituita da due dischi di materiale isolante, spesso trasparenti (anticamente erano di vetro, oggi si usa il plexiglas), che vengono fatti ruotare in senso inverso attorno ad un asse comune mediante una manovella che muove una cinghia tonda diritta (disco anteriore nelle prime tre foto) e una cinghia incrociata per muovere l'altro disco. I dischi devono ruotare a velocità angolari uguali, pertanto le quattro pulegge devono avere, a due a due, uguale diametro; sia quelle calettate sull'alberino della manovella, sia quelle sui dischi. Le cinghie devono essere ben tese e non scivolare. I dischi portano, incollati sulla faccia esterna, settori di stagno o di alluminio o di ottone ricotto, che hanno la funzione sia di induttori sia di trasportatori di cariche. I settori devono essere tutti uguali di forma, di numero e di posizione; in genere il loro spessore e di 1/10 di mm. Ogni disco è sfiorato da due spazzolini metallici posti agli estremi di due conduttori diametrali, uno per ogni disco. Questi due conduttori devono formare tra loro un angolo di circa 60° per avere un buon rendimento della macchina. A sinistra e a destra dei dischi vi sono due collettori ad U, disposti orizzontalmente in posizione diametrale e dotati di punte rivolte verso i settori dei dischi. I due collettori sono sostenuti da due colonne di vetro ben visibili prime tre foto e sono collegati con lo spinterometro; essi prelevano le cariche dai settori. Per finire, sui sostegni dei collettori sono appese due catenelle che, quando sono collegate alle due bottiglie di Leyda, le caricano durante il funzionamento. In altri esemplari le bottiglie sono collegate in modo fisso o possono essere collegate a piacere in altri modi. La bottiglia di Leyda ha una piccola capacità elettrica, non superiore a pochi nF, ma sopporta alte tensioni. Le armature esterne sono formate da bicchieri metallici fissati alla basetta comune della macchina; le armature interne sono formate da un rivestimento cilindrico di stagnola comunicante con i poli della macchina mediante un'asta che, in alto, sporge fuori dal tappo isolante.

Immagine da https://www.mlsystems.it/prodotto/macchina-di-wimshurst-economica/

Funzionamento
La macchina fu inventata da J. Wimshurst ( 1832 - 1903) nel 1882 e deriva da quella di Holtz. Se la descrizione della macchina è complessa, il suo funzionamento è tale da richiedere o una lunghissima spiegazione non facile, o si deve ricorrere ad una intellegibile animazione corredata da una lunga spiegazione. Pertanto si raccomanda il lettore di consultare i Link in Sitografia. La macchina è autoeccitante e non richiede la scintilla di un eccitatore esterno, per avviarsi. Una delle caratteristiche notevoli di questa macchina è che, in condizioni normali, raggiunge la sua piena potenza dopo pochi giri. I due conduttori muniti di spazzole assicurano il collegamento elettrico tra i settori diametralmente opposti, e le cariche elettriche di segno opposto che vengono separate per induzione su di essi, sono convogliate verso lo spinterometro a due sfere, collegato ai due collettori a U. Se le bottiglie di Leyda sono scollegate, tra le sfere avvicinate scoccano continuamente piccole scintille poiché la “capacità distribuita” è molto piccola. Ma, quando si collegano ai collettori le bottiglie di Leyda e si allontanano opportunamente le sfere, per il maggiore accumulo di cariche scoccano forti e più rare scintille elettriche. Vi sono infatti delle apposite tabelle nelle quali la lunghezza della scintilla alla pressione atmosferica di 101,3 kPa e 25 °C di temperatura dell'aria si possono avere tali informazioni. Ad esempio: con 70 kV e un diametro degli elettrodi di 2,5 cm si ha una lunghezza i 4,05 cm; con un diametro di 5 cm la lunghezza è di 2,68; con elettrodi a punta la lunghezza è di 8,81 cm. Si ricorda per inciso che la rigidità dielettrica dell'aria nelle condizioni standard citate sopra (cioè l'intensità massima del campo elettrico prima della scarica) è di circa 30 kV/cm.

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied translated from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co., New York, 1910.

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied translated from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co., New York, 1910.

Riportiamo qui di seguito la traduzione riguardante il suo funzionamento del testo in inglese: Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied translated from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co., New York, 1910. Il brano si riferisce alle figure: 773; 774: 775 del testo citato.
«Nella fig. 775 le piastre PP' sono indicate da sezioni di cilindri; b1Cb2 e b'1\C'b'2 sono i conduttori diametrali, PP' i pettini che comunicano con gli elettrodi di scarica e SS' i settori radiali, di cui solo sei sono rappresentati su ciascuna piastra per chiarezza. L'esperimento dimostra che i pettini non partecipano allo sviluppo dell'elettricità; sono semplicemente dei collettori. Questa macchina, come già osservato, è autoeccitante, ovvero non è necessario fornire una carica di innesco come nel caso della macchina di Holtz. Ma per comprenderne il funzionamento dobbiamo supporre una differenza di potenziale, piccola quanto vogliamo, tra due sue parti. L'ipotesi è giustificata poiché non troviamo mai due corpi, isolanti o conduttori isolati, esattamente allo stesso potenziale. Supponiamo, quindi, che la metà ADB della piastra P' (fig. 775) possieda una debole carica positiva e l'altra metà, BEA, una debole carica negativa. Per induzione, la carica positiva induce sui settori della piastra P, mentre ruotano, una carica negativa sul lato rivolto verso il vetro e un'uguale carica positiva che viene trasportata dalla spazzola b1 e carica il settore sotto b2. Pertanto, le due metà della piastra P' separate dal suo conduttore diametrale hanno indotto sulle due metà della piastra P, separate dal conduttore b2 Cb 1 cariche elettriche opposte. Allo stesso modo, le cariche positive della porzione EAD reagiscono sui settori della piastra P' che si muovono per incontrarle. Di conseguenza, dopo il loro passaggio sotto la spazzola b'1, i settori trasportano una nuova carica negativa, la corrispondente carica positiva passa alla spazzola b'2. Inoltre, i settori sotto b'2 acquisiscono una nuova carica positiva, per induzione dalle cariche negative distribuite sulla porzione DBE della piastra P. Pertanto, per reazione reciproca, le cariche delle due piastre aumentano fino a quando il tasso di guadagno non è bilanciato dal tasso di perdita dovuto a dissipazione e dispersione. Il diagramma (fig. 775) rappresenta gli stati elettrici delle piastre. Ognuna di esse è divisa dal suo conduttore diametrale in due regioni, rispettivamente positiva e negativa. L'elettricità positiva viene trasportata al pettine p da entrambe le piastre e lì raccolta; analogamente, entrambe le piastre trasportano elettricità negativa al pettine p'. Poiché i pettini non svolgono alcun ruolo nella produzione di elettricità in questa macchina, è irrilevante che le manopole d d' siano in contatto o meno all'avvio della macchina. Inoltre, questa macchina non inverte il suo segno durante l'azione, come spesso accade alle macchine Holtz e Voss quando la distanza di scintilla aumenta oltre la distanza di percussione».