Mesin Wimshurst: sejarah, cara kerjanya dan kegunaan

Mesin Wimshurst adalah tegangan tinggi, rendah ampere Generator elektrostatik, mampu menghasilkan listrik statis dengan pemisahan biaya, berkat pergantian engkol. Di sisi lain, generator yang saat ini digunakan seperti baterai, alternator, dan dinamo lebih merupakan sumber gaya gerak listrik, yang menyebabkan pergerakan muatan dalam rangkaian tertutup.

Mesin Wimshurst dikembangkan oleh insinyur dan penemu Inggris James Wimshurst (1832-1903) antara tahun 1880 dan 1883, meningkatkan versi generator elektrostatik yang diusulkan oleh penemu lain.

mesin Wimshurst. Sumber: Andy Dingley (pemindai) [Domain publik]

Ini menonjol dibandingkan mesin elektrostatik sebelumnya karena operasinya yang andal, dapat direproduksi, dan konstruksinya yang sederhana, mampu menghasilkan perbedaan potensial yang menakjubkan antara 90.000 dan 100.000 volt.

Bagian-bagian mesin Wimshurst

Dasar mesin adalah dua cakram bahan isolasi yang khas, dengan lembaran logam tipis yang dipasang dan diatur dalam bentuk sektor radial.

Setiap sektor logam memiliki yang lain secara diametris berlawanan dan simetris. Cakram biasanya berdiameter antara 30 dan 40 cm, tetapi bisa juga jauh lebih besar.

Kedua piringan dipasang pada bidang vertikal dan dipisahkan oleh jarak antara 1 hingga 5 mm. Adalah penting bahwa disk tidak pernah menyentuh satu sama lain selama putaran. Cakram diputar ke arah yang berlawanan melalui mekanisme katrol.

Mesin Wimshurst memiliki dua batang logam sejajar dengan bidang rotasi masing-masing disk: satu ke arah luar disk pertama dan yang lainnya ke arah luar disk kedua. Batang-batang ini berpotongan pada sudut relatif satu sama lain.

Ujung setiap batang memiliki sikat logam yang membuat kontak dengan sektor logam yang berlawanan pada setiap cakram. Mereka dikenal sebagai batang penetral, untuk alasan yang baik yang akan dibahas segera.

Sikat tetap kontak listrik (logam) pada sektor disk yang menyentuh salah satu ujung bar, dengan sektor berlawanan secara diametral. Hal yang sama terjadi di album lainnya.

Efek triboelektrik

Kuas dan sektor cakram terbuat dari logam yang berbeda, hampir selalu tembaga atau perunggu, sedangkan bilah cakram terbuat dari aluminium.

Kontak sekilas di antara mereka saat cakram berputar dan pemisahan berikutnya, menciptakan kemungkinan pertukaran muatan melalui adhesi. Ini adalah efek triboelektrik, yang juga dapat terjadi antara sepotong amber dan kain wol, misalnya.

Sepasang pengumpul logam (sisir) berbentuk U ditambahkan ke mesin dengan ujung paku atau duri logam, yang terletak di posisi yang berlawanan.

Sektor kedua cakram melewati bagian internal U kolektor tanpa menyentuhnya. Kolektor dipasang pada dasar isolasi dan pada gilirannya terhubung ke dua batang logam lain yang berakhir di bola, dekat tetapi tidak menyentuh keduanya.

Ketika energi mekanik disuplai ke mesin melalui engkol, gesekan sikat menghasilkan efek triboelektrik yang memisahkan muatan, setelah itu elektron yang sudah terpisah ditangkap oleh kolektor dan disimpan dalam dua perangkat yang disebut botol Leyden.

Botol atau kendi Leyden adalah kondensor dengan bingkai logam berbentuk silinder. Setiap botol dihubungkan satu sama lain oleh pelat tengah, membentuk dua kapasitor secara seri.

Memutar engkol menghasilkan perbedaan potensial listrik yang begitu tinggi antara bola-bola itu sehingga udara di antara bola-bola itu terionisasi dan percikan api melompat. Perangkat lengkapnya bisa dilihat pada gambar di atas.

Prinsip-prinsip fisik yang terlibat

Di mesin Wimshurst, listrik keluar dari materi, yang terdiri dari atom. Dan ini pada gilirannya terdiri dari muatan listrik: elektron negatif dan proton positif.

Dalam atom, proton yang bermuatan positif dikemas di pusat atau nukleus dan elektron bermuatan negatif di sekitar nukleusnya.

Ketika suatu bahan kehilangan sebagian elektron terluarnya, ia menjadi bermuatan positif. Sebaliknya, jika Anda menangkap beberapa elektron, Anda mendapatkan muatan negatif bersih. Ketika jumlah proton dan elektron sama, bahan tersebut netral.

Dalam bahan isolasi, elektron tetap berada di sekitar inti mereka tanpa kemampuan untuk menyimpang terlalu jauh. Tetapi dalam logam, inti atom sangat dekat satu sama lain sehingga elektron (atau valensi) terluar dapat melompat dari satu atom ke atom lainnya, bergerak di seluruh bahan konduktif.

Jika sebuah benda bermuatan negatif mendekati salah satu muka pelat logam, maka elektron-elektron logam tersebut menjauh dengan gaya tolak-menolak elektrostatik, dalam hal ini ke muka yang berlawanan. Lempeng tersebut kemudian dikatakan telah terpolarisasi.

Nah, jika pelat terpolarisasi ini dihubungkan oleh sebuah konduktor (batang penetral) di sisi negatifnya ke pelat lain, elektron akan pindah ke pelat kedua ini. Jika sambungan tiba-tiba terputus, pelat kedua bermuatan negatif.

Siklus pengisian dan penyimpanan

Agar mesin Wimshurst dapat melakukan booting, beberapa sektor logam pada disk harus memiliki ketidakseimbangan beban. Ini terjadi secara alami dan sering, terutama ketika ada sedikit kelembaban.

Ketika cakram-cakram mulai berputar, akan ada saatnya sektor netral dari cakram yang berlawanan berlawanan dengan sektor yang dimuati. Ini menginduksi muatan yang sama besarnya dan arah yang berlawanan berkat sikat, karena elektron bergerak menjauh atau lebih dekat, sesuai dengan tanda sektor yang saling berhadapan.

Skema mesin Wimshurst. Sumber: RobertKuhlmann [Domain publik]

Kolektor berbentuk U bertanggung jawab untuk mengumpulkan muatan ketika piringan-piringan itu saling tolak karena mereka diisi dengan muatan dengan tanda yang sama, seperti yang ditunjukkan pada gambar, dan menyimpan muatan tersebut dalam botol Leyden yang terhubung dengannya.

Untuk mencapai ini, di bagian dalam U terdapat puncak seperti sisir yang diarahkan ke permukaan luar setiap cakram, tetapi tanpa menyentuhnya. Idenya adalah bahwa muatan positif terkonsentrasi di ujungnya, sehingga elektron yang dikeluarkan dari sektor tertarik dan menumpuk di pelat tengah botol.

Dengan cara ini sektor yang menghadap kolektor kehilangan semua elektronnya dan tetap netral, sedangkan pelat tengah Leyden bermuatan negatif.

Pada kolektor yang berlawanan terjadi hal yang sebaliknya, kolektor mengirimkan elektron ke plat positif yang berhadapan sampai dinetralkan dan proses tersebut berulang terus menerus.

Kegunaan dan eksperimen

Kegunaan utama dari mesin Wimshurst adalah untuk mendapatkan listrik dari setiap tanda. Tetapi memiliki kelemahan yang memasok tegangan yang agak tidak teratur, karena tergantung pada aktuasi mekanis.

Sudut batang penetral dapat divariasikan untuk mengatur arus keluaran tinggi atau tegangan keluaran tinggi. Jika penetralisir jauh dari kolektor, mesin memberikan tegangan tinggi (hingga lebih dari 100 kV).

Di sisi lain, jika mereka dekat dengan kolektor, tegangan keluaran berkurang dan arus keluaran meningkat, mampu mencapai hingga 10 mikroampere pada kecepatan rotasi normal.

Ketika muatan yang terakumulasi mencapai nilai yang cukup tinggi maka medan listrik yang tinggi dihasilkan di bola yang terhubung ke pelat pusat Leyden.

Medan ini mengionisasi udara dan menghasilkan percikan, mengosongkan botol dan menimbulkan siklus pengisian baru.

Percobaan 1

Efek medan elektrostatik dapat diketahui dengan menempatkan selembar karton di antara bola dan mengamati bahwa bunga api membuat lubang di dalamnya.

Percobaan 2

Untuk percobaan ini Anda memerlukan: bandul yang terbuat dari bola pingpong yang dilapisi aluminium foil dan dua lembaran logam berbentuk L.

Bola digantung di tengah dua lembar dengan menggunakan kawat isolasi. Setiap lembar dihubungkan ke elektroda mesin Wimshurst dengan kabel dengan klem.

Saat engkol diputar, bola yang awalnya netral akan berosilasi di antara lamela. Salah satunya akan memiliki muatan negatif berlebih yang akan menghasilkan bola, yang akan ditarik oleh lembaran positif.

Bola akan menyimpan kelebihan elektronnya pada lembaran ini, akan dinetralkan sebentar dan siklus akan berulang selama engkol terus berputar.

Referensi

  1. De Queiroz, A. Mesin Elektrostatik. Dipulihkan dari: coe.ufrj.br
  2. Gacanovic, Mico. 2010. Prinsip Kegunaan Elektrostatik. Dipulihkan dari: orbus.be

Related Posts