آلة WIMSHURST: التاريخ ، وكيف تعمل والتطبيقات - جسدي - بدني - 2026

إن آلة Wimshurst عبارة عن مولد كهربائي إستاتيكي عالي الجهد ، ذو شدة منخفضة ، وقادر على إنتاج كهرباء ساكنة عن طريق فصل الشحنات ، وذلك بفضل دوران الكرنك. من ناحية أخرى ، فإن المولدات المستخدمة حاليًا مثل البطاريات والمولدات والدينامو هي مصادر للقوة الدافعة الكهربائية ، مما يتسبب في تحركات الشحنات في دائرة مغلقة.

تم تطوير آلة Wimshurst بواسطة المهندس والمخترع البريطاني James Wimshurst (1832-1903) بين عامي 1880 و 1883 ، مما أدى إلى تحسين إصدارات المولدات الكهروستاتيكية التي اقترحها مخترعون آخرون.

آلة Wimshurst. المصدر: آندي دينجلي (الماسح الضوئي)

إنها تبرز عن الآلات الكهروستاتيكية السابقة من أجل تشغيلها الموثوق به والقابل للتكرار والبناء البسيط ، حيث إنها قادرة على توليد فرق جهد مذهل يتراوح بين 90.000 و 100.000 فولت.

أجزاء آلة Wimshurst

قاعدة الماكينة عبارة عن قرصي مواد عازلة مميزين ، مع صفائح معدنية رفيعة متصلة ومرتبة في شكل قطاعات نصف قطرية.

كل قطاع معدني له جانب آخر متعاكس تمامًا ومتماثل. يتراوح قطر الأقراص عادةً بين 30 و 40 سم ، ولكن يمكن أيضًا أن تكون أكبر من ذلك بكثير.

يتم تثبيت كلا القرصين في مستوى عمودي ويفصل بينهما مسافة تتراوح من 1 إلى 5 مم. من المهم ألا تلمس الأقراص أبدًا أثناء الدوران. يتم تدوير الأقراص في اتجاهين متعاكسين بواسطة آلية بكرة.

تحتوي آلة Wimshurst على قضيبين معدنيين موازيين لمستوى دوران كل قرص: أحدهما باتجاه الخارج من القرص الأول والآخر باتجاه الخارج من القرص الثاني. تتقاطع هذه الأشرطة بزاوية مع بعضها البعض.

تحتوي أطراف كل قضيب على فرش معدنية تتلامس مع القطاعات المعدنية المتعارضة على كل قرص. تُعرف باسم أشرطة التعادل ، لسبب وجيه سيتم مناقشته قريبًا.

تتلامس الفرشاة الكهربائية (المعدنية) مع قطاع القرص الذي يلامس أحد طرفي الشريط ، مع القطاع المعاكس تمامًا. نفس الشيء يحدث في الألبوم الآخر.

تأثير الاحتكاك الكهربائي

الفرش والقطاعات للقرص مصنوعة من معادن مختلفة ، غالبًا من النحاس أو البرونز ، بينما شفرات الأقراص مصنوعة من الألومنيوم.

يؤدي الاتصال العابر بينهما أثناء تدوير الأقراص والفصل اللاحق إلى إمكانية تبادل الشحنات من خلال الالتصاق. هذا هو تأثير كهرباء الاحتكاك ، والذي يمكن أن يحدث أيضًا بين قطعة من العنبر وقطعة قماش صوفية ، على سبيل المثال.

تتم إضافة زوج من المجمعات المعدنية على شكل حرف U (أمشاط) إلى الماكينة بأطراف أو مسامير معدنية ، توجد في مواضع متقابلة.

تمر قطاعات كلا القرصين عبر الجزء الداخلي للمجمع U دون لمسه. يتم تثبيت المجمعات على قاعدة عازلة ويتم توصيلها بدورها بقضيبين معدنيين آخرين منتهيين في كرات ، قريبة ولكن لا تلامس أي منهما.

عندما يتم توفير الطاقة الميكانيكية للآلة عن طريق الكرنك ، ينتج عن احتكاك الفرشاة تأثير الاحتكاك الكهربائي الذي يفصل الشحنات ، وبعد ذلك يتم التقاط الإلكترونات التي تم فصلها بالفعل بواسطة المجمعات وتخزينها في جهازين يسمى زجاجات من ليدن.

زجاجة أو إبريق ليدن عبارة عن مكثف بإطارات معدنية أسطوانية. كل زجاجة متصلة بالآخر بواسطة اللوح المركزي ، مكونين مكثفين على التوالي.

يؤدي تدوير الكرنك إلى إحداث فرق كبير في الجهد الكهربائي بين الكرات بحيث يتأين الهواء بينهما ويقفز شرارة. يمكن رؤية الجهاز بالكامل في الصورة أعلاه.

في آلة Wimshurst ، تخرج الكهرباء من المادة التي تتكون من الذرات. وهذه بدورها تتكون من الشحنات الكهربائية: الإلكترونات السالبة والبروتونات الموجبة.

في الذرة تتراكم البروتونات موجبة الشحنة في المركز أو النواة والإلكترونات سالبة الشحنة حول نواتها.

عندما تفقد مادة ما بعضاً من إلكتروناتها الخارجية ، فإنها تصبح موجبة الشحنة. بالمقابل ، إذا التقطت بعض الإلكترونات ، تحصل على صافي شحنة سالبة. عندما يتساوى عدد البروتونات والإلكترونات ، تكون المادة محايدة.

في المواد العازلة ، تبقى الإلكترونات حول نواتها دون القدرة على الابتعاد كثيرًا. ولكن في المعادن ، تكون النوى قريبة جدًا من بعضها البعض بحيث يمكن للإلكترونات الخارجية (أو التكافؤ) القفز من ذرة إلى أخرى ، وتتحرك في جميع أنحاء المادة الموصلة.

إذا اقترب جسم سالب الشحنة من أحد وجوه اللوح المعدني ، فإن إلكترونات المعدن تبتعد عن طريق التنافر الكهروستاتيكي ، في هذه الحالة إلى الوجه المقابل. ثم يقال إن الصفيحة أصبحت مستقطبة.

الآن ، إذا كانت هذه اللوحة المستقطبة متصلة بواسطة موصل (قضبان محايدة) على جانبها السالب بصفيحة أخرى ، فإن الإلكترونات ستنتقل إلى هذه اللوحة الثانية. إذا انقطع الاتصال فجأة ، يتم شحن اللوحة الثانية سلبًا.

دورة التحميل والتخزين

لكي يتم تشغيل آلة Wimshurst ، يحتاج أحد القطاعات المعدنية الموجودة على القرص إلى خلل في التحميل. يحدث هذا بشكل طبيعي ومتكرر ، خاصة عندما تكون الرطوبة قليلة.

عندما تبدأ الأقراص في الدوران ، سيكون هناك وقت يعارض فيه قطاع محايد من القرص المعاكس القطاع المحمل. يؤدي هذا إلى شحنة متساوية في الحجم والاتجاه المعاكس بفضل الفرشاة ، حيث تتحرك الإلكترونات بعيدًا أو أقرب ، وفقًا لإشارة القطاع المواجه.

رسم تخطيطي لآلة Wimshurst. المصدر: روبرت كولمان

يتحمل المجمّعون على شكل حرف U مسؤولية جمع الشحنة عندما تتنافر الأقراص عن بعضها البعض لأنهم مشحونون بشحنات من نفس العلامة ، كما هو موضح في الشكل ، ويخزنون الشحنة المذكورة في زجاجات Leyden المتصلة بهم.

لتحقيق ذلك ، يبرز الجزء الداخلي من U قمم تشبه المشط موجهة نحو الوجوه الخارجية لكل قرص ، ولكن دون لمسها. الفكرة هي أن الشحنة الموجبة تركز على الأطراف ، بحيث تنجذب الإلكترونات المطرودة من القطاعات وتتراكم في الصفيحة المركزية للزجاجات.

وبهذه الطريقة ، يفقد القطاع الذي يواجه المجمع جميع إلكتروناته ويبقى محايدًا ، بينما يتم شحن اللوحة المركزية في Leyden سالبًا.

يحدث العكس في المجمع المعاكس ، حيث يقوم المجمع بتسليم الإلكترونات إلى اللوحة الموجبة التي تواجهها حتى يتم تحييدها وتتكرر العملية باستمرار.

التطبيقات والتجارب

التطبيق الرئيسي لآلة Wimshurst هو الحصول على الكهرباء من كل علامة. لكن له عيبًا أنه يوفر جهدًا غير منتظم إلى حد ما ، لأنه يعتمد على التشغيل الميكانيكي.

يمكن تغيير زاوية قضبان المحايد لضبط تيار الخرج العالي أو جهد الخرج العالي. إذا كانت المعادلات بعيدة عن المجمعات ، فإن الآلة توفر جهدًا عاليًا (يصل إلى أكثر من 100 كيلو فولت).

من ناحية أخرى ، إذا كانت قريبة من المجمعات ، ينخفض ​​جهد الخرج ويزداد تيار الخرج ، ويمكن أن يصل إلى 10 ميكرو أمبير بسرعات دوران عادية.

عندما تصل الشحنة المتراكمة إلى قيمة عالية بما فيه الكفاية ، يتم إنتاج مجال كهربائي مرتفع في المجالات المتصلة باللوحات المركزية لليدن.

يؤين هذا المجال الهواء وينتج الشرارة ويفرغ الزجاجات ويؤدي إلى دورة شحن جديدة.

التجربة 1

يمكن تقدير تأثيرات المجال الكهروستاتيكي عن طريق وضع لوح من الورق المقوى بين الكرات وملاحظة أن الشرر يصنع ثقوبًا فيه.

التجربة 2

ستحتاج في هذه التجربة إلى: بندول مصنوع من كرة بينج بونج مغطاة بورق ألومنيوم وصفائح معدنية على شكل حرف L.

يتم تعليق الكرة في منتصف الصفحتين بواسطة سلك عازل. يتم توصيل كل ورقة بأقطاب ماكينة Wimshurst بواسطة كابلات ذات مشابك.

أثناء تدوير الكرنك ، ستتأرجح الكرة المحايدة في البداية بين الشفرات. واحد منهم سيكون لديه فائض من الشحنة السالبة التي ستنتقل إلى الكرة ، والتي ستجذبها الورقة الموجبة.

ستودع الكرة إلكتروناتها الزائدة على هذه الورقة ، وسيتم تحييدها لفترة وجيزة وستتكرر الدورة مرة أخرى طالما استمر الكرنك في الدوران.

المراجع

1. دي كيروز ، أ. الآلات الكهروستاتيكية. تم الاسترجاع من: coe.ufrj.br
2. جاكانوفيتش ، ميكو. 2010. مبادئ تطبيقات الكهرباء الساكنة. تم الاسترجاع من: orbus.be