La macchina di Wimshurst
La macchina di Wimshurst é una macchina inventata da James Wimshurst nel 1882 per mostrare in modo visibile e spettacolare come si può creare elettricità statica. Serve a produrre alte tensioni, cioè differenze di potenziale cosi grandi che l'aria si ionizza e scocca una scintilla.
com’è fatta?
Guardandola, si vede:
- due grandi dischi di materiale isolante (per esempio plastica o vetro), messi uno davanti all'altro, che ruotano in senso opposto.
- sui dischi ci sono settori metallici, come “spicchi” d'argento. -Barre metalliche incrociate con delle spazzole, che toccano leggermente i settori durante la rotazione.
- due A pettini metallici (con tanti “dentini”) che raccolgono le cariche elettriche
- uno spinterometro, cioè due sferette metalliche vicine: quando la tensione diventa alta, tra le sfere scocca una scintilla.
- A volte sono collegate anche bottiglie di Leida, che sono dei condensatori primitivi in grado di immagazzinare più energia.
Perché funziona?
La macchina appartiene alla categoria dei generatori elettrostatici a induzione.
Cos'è l'induzione?
È il fenomeno per cui le cariche dentro un oggetto si spostano quando nelle vicinanze c'è un altro oggetto carico; è come se le cariche “sentissero” la presenza di altre cariche e si allontanassero o si avvicinassero.
Funzionamento passo per passo
1. I due dischi ruotano in senso opposto.
I settori metallici passano vicino alle spazzole sulle barre incrociate.
2. le spazzole causano una piccola separazione di cariche.
Anche se è un fenomeno molto debole, basta per iniziare.
3. Questa piccola separazione viene amplificata.
Grazie all'induzione e al modo in cui i dischi si muovono, la separazione di cariche diventa sempre più grande feedback positivo).
4. I pettini “raccoglitore” accumulano le cariche,
Ogni pettine prende cariche di un certo tipo (positive o negative) dai dischi.
5. La tensione sale finché l'aria non ce la fa più.
Quando si raggiunge la tensione di rottura dell’aria, questa diventa conduttrice:
scocca una scintilla tra le due sfere dello spinterometro.
6. Se ci sono le bottiglie di Leida, la macchina può accumulare molta più energia, e le scintille diventano più intense.
Condizioni di funzionamento
La macchina di funziona meglio quando l'aria è secca.
L'umidità infatti fa disperdere le cariche, rendendo più difficile raggiungere alte tensioni. Per farla funzionare serve energia meccanica (girare le manovelle): questa energia viene trasformata in energia elettrica.
Da cosa dipende l’energia prodotta?
- Superficie dei metallici sui dischi.
- Velocità di rotazione
- Distribuzione delle cariche all’inizio
- Isolamento della macchina
- Dimensioni complessive (più è grande, più alta può essere la tensione).
The Wimshurst Machine
Introduction
The Wimshurst machine si an electrostatic generator that idea two counter-rotating disks to produce high-voltage static electricity. It was invented between 1880 and 1882 by James Wimshurst to show in a visible and spectacular way how static electricity can be created. It is commonly used in physics demonstrations and for educational purposes.
The machine is used to produce high voltages, meaning potential difference that can be used for various experiments and demonstrations.
Structure (How is it made?)
The machine belongs to the category of electrostatic generators by induction.
Looking at it, the structure typically consists of:
- Two large discs or plates made of insulating material (ex. plastic or glass, once made of glass, once usually made of plexiglass/acrylic), mounted one in front of the other on a central axis.
- These disks are separated by a small gap and are rotated in opposite directions ( one spinning clockwise, while the other goes in a counterclockwise direction) by a hand crack or motor).
- On the discs there are metallic sectors (like “silver petals”), coated so that they alternate in polarity.
- Crossed metallic bars with brushes, which lightly touch the sectors during rotation. Metal brushes connected to metal rods known as conductors make contact with the metal sectors on each disk.
- Two metallic combs ( with many “teeth”) that collect the electric charges. The charge builds up on the disks and is transferred to two metal collectors located on either side of the machine.
- A spark gap, two nearby metallic spheres: when the voltage becomes high, a spark jumps between the spheres.
- The spheres are sometimes connected to Leyden jars, which are primitive capacitors capable of storing more energy.
Principle of Operation: Induction
The underlying principle is Electrostatic Induction, which is the phenomenon by which charges “feel” The presence of other charges and move away or closer.
Step-by-Step Operation
The continuous operation can be summarized as follows:
1. The two discs rotate in opposite directions.
2. The brushes cause a small charge separation. (Even if it is a very weak phenomenon, it is enough to start.)
3. This small separation is amplified.
Thanks to induction and the way the discs move, the charge separation becomes an ever-greater “positive feedback”. This creates a moving charge and induces an electrostatic charge on the disks.
4. The “Collecting” combs accumulate the charges. Each combs takes on a certain type (positive or negative) of charge from the discs. The charge builds up on the disks and is transferred to the collectors.
5. The voltage rises until the air can no longer contain it. When the breakdown voltage of the air is reached, the air becomes conductive, and a spark jumps between the two spheres of the spark gap. This is a result of the electrostatic discharge produced by the Wimshurst machine.
6. If there are Leyden jars, the machine can accumulate much more energy, and the sparks become more intense.
The machine can also be used to demonstrate other electrostatic phenomena, such as attracting and repelling charged objects.
Operating Conditions
- The machine works best when the air is dry. Humidity in fact disperses the charges, making it difficult to reach high voltages.
- To make it work, mechanical energy is needed (turning the handles): this energy is transformed into electrical energy.
What does the produced energy depend on?
The energy and voltage produced by the machine depend on:
- Surface area of the metal parts on the discs.
- Rotation speed.
- Distribution of the initial charges.
- Isolation of the machine
- Overall dimensions ( the larger, the higher the voltage can be).
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