เครื่อง WIMSHURST: ประวัติวิธีการทำงานและการใช้งาน - กายภาพ - 2026

เครื่อง Wimshurstเป็นไฟฟ้าแรงสูงแอมแปร์ต่ำกำเนิดไฟฟ้าสถิตสามารถในการผลิตกระแสไฟฟ้าสถิตย์โดยแยกค่าใช้จ่ายขอบคุณหันของข้อเหวี่ยงที่ ในทางกลับกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้ในปัจจุบันเช่นแบตเตอรี่อัลเทอร์เนเตอร์และไดนาโมเป็นแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าซึ่งก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของประจุในวงจรปิด

เครื่อง Wimshurst ได้รับการพัฒนาโดยวิศวกรและนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ James Wimshurst (1832-1903) ระหว่างปีพ. ศ. 2423 ถึง 2426 โดยปรับปรุงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตรุ่นที่เสนอโดยนักประดิษฐ์คนอื่น ๆ

เครื่อง Wimshurst ที่มา: Andy Dingley (เครื่องสแกน)

มันโดดเด่นกว่าเครื่องไฟฟ้าสถิตรุ่นก่อน ๆ สำหรับการทำงานที่น่าเชื่อถือทำซ้ำได้และการก่อสร้างที่เรียบง่ายโดยสามารถสร้างความต่างศักย์ที่ส่ายได้ระหว่าง 90,000 ถึง 100,000 โวลต์

Wimshurst ชิ้นส่วนเครื่องจักร

ฐานของเครื่องเป็นแผ่นวัสดุฉนวนสองลักษณะโดยมีแผ่นโลหะบาง ๆ ติดอยู่และจัดเรียงในรูปแบบของภาครัศมี

โลหะแต่ละส่วนมีอีกส่วนหนึ่งที่ตรงกันข้ามและสมมาตรกัน โดยปกติแผ่นดิสก์จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 30 ถึง 40 ซม. แต่ก็มีขนาดใหญ่กว่าได้เช่นกัน

ดิสก์ทั้งสองติดตั้งในระนาบแนวตั้งและคั่นด้วยระยะห่างระหว่าง 1 ถึง 5 มม. สิ่งสำคัญคือต้องไม่สัมผัสแผ่นดิสก์ระหว่างการหมุน แผ่นดิสก์จะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามโดยใช้กลไกรอก

เครื่อง Wimshurst มีแท่งโลหะสองแท่งขนานกับระนาบการหมุนของแต่ละดิสก์: แท่งหนึ่งไปทางด้านนอกของดิสก์แผ่นแรกและอีกแท่งหนึ่งไปทางด้านนอกของดิสก์ที่สอง แท่งเหล่านี้ตัดกันเป็นมุมซึ่งกันและกัน

ปลายของแต่ละแท่งมีแปรงโลหะที่สัมผัสกับส่วนโลหะของฝ่ายตรงข้ามในแต่ละแผ่น พวกเขารู้จักกันในชื่อแถบปรับความเป็นกลางด้วยเหตุผลที่ดีซึ่งจะมีการหารือในไม่ช้า

แปรงเก็บในระบบไฟฟ้า (โลหะ) สัมผัสกับส่วนของแผ่นดิสก์ที่สัมผัสกับปลายด้านหนึ่งของแท่งโดยมีเซกเตอร์อยู่ตรงข้ามกัน สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นในอัลบั้มอื่น

ผลกระทบ triboelectric

แปรงและส่วนของแผ่นดิสก์ทำจากโลหะที่แตกต่างกันเกือบตลอดเวลาทองแดงหรือบรอนซ์ในขณะที่ใบพัดของแผ่นดิสก์ทำจากอลูมิเนียม

การสัมผัสที่หายวับไประหว่างพวกเขาในขณะที่แผ่นดิสก์หมุนและการแยกตามมาทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการแลกเปลี่ยนประจุผ่านการยึดเกาะ นี่คือเอฟเฟกต์ไตรโบอิเล็กทริกซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ระหว่างชิ้นส่วนของอำพันกับผ้าขนสัตว์เป็นต้น

ตัวสะสมโลหะรูปตัวยู (หวี) คู่หนึ่งถูกเพิ่มเข้าไปในตัวเครื่องโดยมีปลายโลหะหรือเหล็กแหลมซึ่งอยู่ในตำแหน่งตรงข้ามกัน

เซกเตอร์ของแผ่นดิสก์ทั้งสองผ่านส่วนภายในของตัวเก็บรวบรวม U โดยไม่ต้องสัมผัส ตัวสะสมติดตั้งอยู่บนฐานฉนวนและเชื่อมต่อกับแท่งโลหะอีกสองแท่งที่ลงท้ายด้วยทรงกลมปิด แต่ไม่สัมผัส

เมื่อพลังงานกลถูกส่งไปยังเครื่องโดยใช้ข้อเหวี่ยงแรงเสียดทานของแปรงจะทำให้เกิดผลไตรโบอิเล็กทริกที่แยกประจุออกจากกันหลังจากนั้นอิเล็กตรอนที่แยกจากกันแล้วจะถูกจับโดยนักสะสมและเก็บไว้ในอุปกรณ์สองเครื่องที่เรียกว่าขวดของ เลย์เดน

ขวดหรือเหยือก Leyden เป็นคอนเดนเซอร์ที่มีโครงโลหะทรงกระบอก แต่ละขวดเชื่อมต่อกับอีกขวดด้วยแผ่นกลางซึ่งสร้างตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรมกัน

การหมุนข้อเหวี่ยงทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างทรงกลมที่อากาศระหว่างพวกเขาแตกตัวเป็นไอออนและประกายไฟกระโดด อุปกรณ์ที่สมบูรณ์สามารถมองเห็นได้ในภาพด้านบน

ในเครื่อง Wimshurst มีกระแสไฟฟ้าออกมาจากสสารซึ่งประกอบด้วยอะตอม และสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยประจุไฟฟ้า: อิเล็กตรอนลบและโปรตอนบวก

ในอะตอมโปรตอนที่มีประจุบวกบรรจุอยู่ตรงกลางหรือนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบรอบนิวเคลียส

เมื่อวัสดุสูญเสียอิเล็กตรอนวงนอกสุดไปบางส่วนจะกลายเป็นประจุบวก ในทางกลับกันถ้าคุณจับอิเล็กตรอนคุณจะได้รับประจุลบสุทธิ เมื่อจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันวัสดุจะเป็นกลาง

ในวัสดุฉนวนอิเล็กตรอนจะอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสโดยไม่สามารถหลุดออกไปได้ไกล แต่ในโลหะนิวเคลียสอยู่ใกล้กันมากจนอิเล็กตรอนวงนอกสุด (หรือเวเลนซ์) สามารถกระโดดจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งโดยเคลื่อนที่ไปทั่ววัสดุที่นำไฟฟ้าได้

หากวัตถุที่มีประจุลบเข้าใกล้ใบหน้าด้านใดด้านหนึ่งของแผ่นโลหะอิเล็กตรอนของโลหะจะเคลื่อนที่ออกไปโดยการขับไล่ไฟฟ้าสถิตในกรณีนี้ไปยังใบหน้าตรงข้าม จากนั้นจานจะกลายเป็นโพลาไรซ์

ตอนนี้ถ้าแผ่นโพลาไรซ์นี้เชื่อมต่อด้วยตัวนำ (แท่งที่ทำให้เป็นกลาง) ที่ด้านลบไปยังอีกแผ่นหนึ่งอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังจานที่สองนี้ หากการเชื่อมต่อถูกตัดกะทันหันแผ่นที่สองจะมีประจุลบ

รอบการโหลดและการจัดเก็บ

สำหรับเครื่อง Wimshurst ในการบู๊ตหนึ่งในเซกเตอร์โลหะบนดิสก์จำเป็นต้องมีความไม่สมดุลของโหลด สิ่งนี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติและบ่อยครั้งโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีความชื้นน้อย

เมื่อแผ่นดิสก์เริ่มหมุนจะมีช่วงเวลาที่เซกเตอร์เป็นกลางของดิสก์ตรงข้ามต่อต้านเซกเตอร์ที่โหลด สิ่งนี้ทำให้เกิดประจุที่มีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงกันข้ามด้วยแปรงเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกไปหรือเข้าใกล้ตามสัญลักษณ์ของเซกเตอร์ที่หันเข้าหากัน

แผนผังของเครื่อง Wimshurst ที่มา: RobertKuhlmann

นักสะสมรูปตัวยูมีหน้าที่เก็บประจุเมื่อดิสก์ขับไล่กันเนื่องจากถูกเรียกเก็บเงินด้วยเครื่องหมายเดียวกันดังที่แสดงในรูปและเก็บประจุดังกล่าวไว้ในขวด Leyden ที่เชื่อมต่อกับพวกเขา

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ส่วนภายในของ U จะยื่นออกมาซึ่งมีลักษณะคล้ายหวีตรงไปยังใบหน้าภายนอกของแผ่นดิสก์แต่ละแผ่น แต่ไม่ต้องสัมผัส แนวคิดก็คือประจุบวกจะกระจุกตัวอยู่ที่ส่วนปลายเพื่อให้อิเล็กตรอนที่ถูกขับออกจากเซกเตอร์ถูกดึงดูดและสะสมในจานกลางของขวด

ด้วยวิธีนี้เซกเตอร์ที่หันเข้าหาตัวสะสมจะสูญเสียอิเล็กตรอนทั้งหมดและยังคงเป็นกลางในขณะที่แผ่นกลางของ Leyden มีประจุเป็นลบ

ในตัวเก็บตรงข้ามสิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นตัวเก็บรวบรวมจะส่งอิเล็กตรอนไปยังแผ่นบวกที่หันหน้าเข้าหามันจนกว่ามันจะถูกทำให้เป็นกลางและทำซ้ำกระบวนการอย่างต่อเนื่อง

การใช้งานและการทดลอง

การใช้งานหลักของเครื่อง Wimshurst คือการรับกระแสไฟฟ้าจากแต่ละป้าย แต่มีข้อเสียคือจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างผิดปกติเนื่องจากขึ้นอยู่กับการกระตุ้นทางกล

มุมของแท่งปรับสภาพเป็นกลางสามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อตั้งค่ากระแสเอาต์พุตสูงหรือแรงดันเอาต์พุตสูง หากเครื่องทำให้เป็นกลางอยู่ไกลจากตัวสะสมเครื่องจะจ่ายกระแสไฟฟ้าแรงสูง (มากถึง 100 kV)

ในทางกลับกันหากอยู่ใกล้กับตัวสะสมแรงดันไฟฟ้าขาออกจะลดลงและกระแสไฟฟ้าขาออกจะเพิ่มขึ้นและสามารถเข้าถึงได้ถึง 10 ไมโครแอมแปร์ที่ความเร็วในการหมุนปกติ

เมื่อประจุสะสมมีค่าสูงพอจะเกิดสนามไฟฟ้าสูงขึ้นในทรงกลมที่เชื่อมต่อกับแผ่นเปลือกโลกกลางของเลย์เดน

สนามนี้ทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนและก่อให้เกิดประกายไฟปล่อยขวดและก่อให้เกิดวงจรประจุใหม่

การทดลอง 1

ผลกระทบของสนามไฟฟ้าสถิตสามารถชื่นชมได้โดยวางแผ่นกระดาษแข็งระหว่างทรงกลมและสังเกตว่าประกายไฟทำให้เป็นรู

การทดลองที่ 2

สำหรับการทดลองนี้คุณจะต้องมี: ลูกตุ้มที่ทำจากลูกปิงปองปิดด้วยอลูมิเนียมฟอยล์และแผ่นโลหะรูปตัวแอลสองแผ่น

ลูกบอลถูกแขวนไว้ตรงกลางของทั้งสองแผ่นโดยใช้ลวดฉนวน แต่ละแผ่นเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดของเครื่อง Wimshurst ด้วยสายเคเบิลพร้อมที่หนีบ

เมื่อหมุนข้อเหวี่ยงลูกบอลที่เป็นกลางในตอนแรกจะแกว่งไปมาระหว่างใบมีด หนึ่งในนั้นจะมีประจุลบมากเกินไปที่จะส่งผลให้ลูกบอลซึ่งจะถูกดึงดูดโดยแผ่นบวก

ลูกบอลจะฝากอิเล็กตรอนส่วนเกินไว้บนแผ่นนี้มันจะถูกทำให้เป็นกลางสั้น ๆ และวงจรจะทำซ้ำอีกครั้งตราบเท่าที่ข้อเหวี่ยงยังคงหมุนอยู่

อ้างอิง

1. De Queiroz, A. เครื่องไฟฟ้าสถิต. ดึงมาจาก: coe.ufrj.br
2. กาคาโนวิช, ไมโค. 2553. หลักการประยุกต์ใช้ไฟฟ้าสถิต. ดึงมาจาก: orbus.be