MÁY WIMSHURST: LỊCH SỬ, CÁCH HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2026

Máy Wimshurst là một máy phát tĩnh điện điện áp cao, cường độ dòng điện thấp, có khả năng tạo ra tĩnh điện bằng cách tách các điện tích, nhờ vào sự quay của một tay quay. Mặt khác, các máy phát điện đang được sử dụng như pin, máy phát điện và máy phát điện là những nguồn tạo ra sức điện động, gây ra chuyển động của các điện tích trong một mạch kín.

Máy Wimshurst được phát triển bởi kỹ sư và nhà phát minh người Anh James Wimshurst (1832-1903) từ năm 1880 đến 1883, cải tiến các phiên bản của máy phát tĩnh điện do các nhà phát minh khác đề xuất.

Máy Wimshurst. Nguồn: Andy Dingley (máy quét)

Nó nổi bật hơn các máy tĩnh điện trước đây nhờ hoạt động đáng tin cậy, có thể tái tạo và cấu tạo đơn giản, có thể tạo ra mức chênh lệch tiềm năng đáng kinh ngạc từ 90.000 đến 100.000 vôn.

Bộ phận máy Wimshurst

Phần đế của máy là hai đĩa vật liệu cách điện đặc trưng, ​​có gắn các tấm kim loại mỏng và sắp xếp theo dạng các cung xuyên tâm.

Mỗi lĩnh vực kim loại có một đường kính khác đối diện và đối xứng. Các đĩa này thường có đường kính từ 30 đến 40 cm, nhưng chúng cũng có thể lớn hơn nhiều.

Cả hai đĩa được gắn trên một mặt phẳng thẳng đứng và cách nhau một khoảng từ 1 đến 5 mm. Điều quan trọng là các đĩa không bao giờ chạm vào nhau trong quá trình quay. Các đĩa được quay ngược chiều nhau bằng cơ chế ròng rọc.

Máy Wimshurst có hai thanh kim loại song song với mặt phẳng quay của mỗi đĩa: một hướng ra bên ngoài đĩa thứ nhất và thanh kia hướng ra ngoài đĩa thứ hai. Các thanh này cắt nhau một góc so với nhau.

Các đầu của mỗi thanh có chổi kim loại giúp tiếp xúc với các phần kim loại đối lập trên mỗi đĩa. Chúng được gọi là thanh trung hòa, vì lý do chính đáng sẽ được thảo luận ngay sau đây.

Các bàn chải giữ điện (kim loại) tiếp xúc với khu vực của đĩa tiếp xúc với một đầu của thanh, với khu vực có đường kính đối diện. Điều tương tự cũng xảy ra với album khác.

Hiệu ứng ba điện

Chổi và các thành phần của đĩa được làm bằng các kim loại khác nhau, hầu như luôn luôn là đồng hoặc đồng, trong khi các cánh của đĩa được làm bằng nhôm.

Sự tiếp xúc thoáng qua giữa chúng trong khi đĩa quay và sự phân tách sau đó, tạo ra khả năng trao đổi điện tích thông qua sự kết dính. Đây là hiệu ứng ba điện, cũng có thể xảy ra giữa một mảnh hổ phách và một tấm vải len chẳng hạn.

Một cặp thu (lược) kim loại hình chữ U được thêm vào máy với các đầu hoặc gai kim loại, nằm ở các vị trí đối diện nhau.

Các cung của cả hai đĩa đi qua phần bên trong của bộ thu U mà không chạm vào nó. Các thanh góp được gắn trên một đế cách điện và lần lượt được nối với hai thanh kim loại khác kết thúc bằng hình cầu, gần nhau nhưng không chạm vào nhau.

Khi năng lượng cơ học được cung cấp cho máy bằng tay quay, ma sát của các chổi tạo ra hiệu ứng điện ba phân tách các điện tích, sau đó các điện tử đã tách ra sẽ được các bộ thu bắt giữ và lưu trữ trong hai thiết bị gọi là bình Leyden.

Chai hoặc bình Leyden là một bình ngưng có khung kim loại hình trụ. Mỗi bình được nối với nhau bằng tấm trung tâm, tạo thành hai tụ điện mắc nối tiếp.

Việc quay tay quay tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa các quả cầu cao đến mức không khí giữa chúng bị ion hóa và tia lửa bùng lên. Thiết bị hoàn chỉnh có thể được nhìn thấy trong hình trên.

Trong cỗ máy Wimshurst, điện sinh ra từ vật chất, được tạo thành từ các nguyên tử. Và những thứ này lần lượt được tạo thành từ các điện tích: electron âm và proton dương.

Trong nguyên tử, các proton mang điện tích dương nằm ở tâm hoặc hạt nhân và các electron mang điện tích âm xung quanh hạt nhân của nó.

Khi một vật liệu mất một số electron lớp ngoài cùng của nó, nó sẽ trở nên tích điện dương. Ngược lại, nếu bạn bắt một số electron, bạn sẽ nhận được một điện tích âm thuần. Khi số proton và electron bằng nhau, vật liệu là trung tính.

Trong vật liệu cách điện, các electron ở xung quanh hạt nhân của chúng mà không có khả năng đi lạc quá xa. Nhưng trong kim loại, các hạt nhân gần nhau đến mức các electron (hoặc hóa trị) lớp ngoài cùng có thể nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, di chuyển khắp vật liệu dẫn điện.

Nếu một vật mang điện tích âm đến gần một trong các mặt của tấm kim loại, thì các êlectron của kim loại đó di chuyển ra xa bằng lực đẩy tĩnh điện, trong trường hợp này là chuyển sang mặt đối diện. Tấm này sau đó được cho là đã trở nên phân cực.

Bây giờ, nếu tấm phân cực này được nối bằng một vật dẫn (các thanh trung hòa) ở mặt âm của nó với một tấm khác, các điện tử sẽ di chuyển đến tấm thứ hai này. Nếu đột ngột cắt mối nối, tấm thứ hai nhiễm điện âm.

Chu kỳ tải và lưu trữ

Để máy Wimshurst khởi động, một trong các thành phần kim loại trên đĩa cần có sự mất cân bằng tải. Điều này xảy ra tự nhiên và thường xuyên, đặc biệt là khi có ít độ ẩm.

Khi các đĩa bắt đầu quay, sẽ có lúc một khu vực trung tính của đĩa đối diện đối nghịch với khu vực được tải. Điều này tạo ra trên nó một điện tích có độ lớn bằng nhau và hướng ngược lại nhờ các chổi, vì các electron di chuyển ra xa hoặc lại gần, theo dấu hiệu của khu vực hướng vào nhau.

Sơ đồ của máy Wimshurst. Nguồn: RobertKuhlmann

Những người thu thập hình chữ U có trách nhiệm thu điện tích khi các đĩa đẩy nhau vì chúng được tích điện cùng dấu, như trong hình và lưu trữ điện tích đó trong các chai Leyden được kết nối với chúng.

Để đạt được điều này, phần bên trong của chữ U nhô ra các đỉnh giống như chiếc lược hướng về các mặt bên ngoài của mỗi đĩa, nhưng không chạm vào chúng. Ý tưởng là điện tích dương tập trung ở các đầu mút, do đó các điện tử bị đẩy ra khỏi các khu vực bị hút và tích tụ trong tấm trung tâm của chai.

Bằng cách này, khu vực đối diện với bộ thu sẽ mất tất cả các điện tử của nó và vẫn trung tính, trong khi tấm trung tâm của Leyden mang điện tích âm.

Trong bộ thu đối diện thì điều ngược lại xảy ra, bộ thu chuyển điện tử đến tấm dương đối diện với nó cho đến khi nó bị trung hòa và quá trình này được lặp lại liên tục.

Ứng dụng và thử nghiệm

Ứng dụng chính của máy Wimshurst là lấy điện từ mỗi ký. Nhưng nó có nhược điểm là nó cung cấp một điện áp khá bất thường, vì nó phụ thuộc vào tác động cơ học.

Góc của các thanh trung hòa có thể thay đổi để đặt dòng điện đầu ra cao hoặc điện áp đầu ra cao. Nếu các bộ trung hòa ở xa các bộ thu, máy sẽ cung cấp điện áp cao (lên đến hơn 100 kV).

Mặt khác, nếu chúng ở gần các bộ thu, điện áp đầu ra giảm và dòng ra tăng, và có thể đạt tới 10 microampe ở tốc độ quay bình thường.

Khi điện tích tích lũy đạt đến một giá trị đủ cao thì một điện trường lớn được tạo ra trong các quả cầu nối với các tấm trung tâm của Leyden.

Trường này làm ion hóa không khí và tạo ra tia lửa, phóng điện các chai và tạo ra một chu kỳ sạc mới.

Thí nghiệm 1

Tác động của trường tĩnh điện có thể được đánh giá bằng cách đặt một tấm bìa cứng giữa các quả cầu và quan sát rằng tia lửa điện tạo ra các lỗ trên đó.

Thí nghiệm 2

Đối với thí nghiệm này, bạn sẽ cần: một con lắc làm bằng quả bóng bàn được phủ bằng lá nhôm và hai tấm kim loại hình chữ L.

Quả cầu được treo vào giữa hai tấm bằng dây cách điện. Mỗi tấm được nối với các điện cực của máy Wimshurst bằng dây cáp có kẹp.

Khi tay quay được quay, quả cầu trung hòa ban đầu sẽ dao động giữa các cánh quạt. Một trong số chúng sẽ có phần dư điện tích âm sẽ nhường cho quả cầu, quả cầu này sẽ bị tấm dương hút.

Quả bóng sẽ lắng đọng các electron dư thừa của nó trên tấm này, nó sẽ bị trung hòa trong thời gian ngắn và chu kỳ sẽ lặp lại một lần nữa miễn là tay quay tiếp tục quay.

Người giới thiệu

1. De Queiroz, A. Máy tĩnh điện. Đã khôi phục từ: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Nguyên tắc ứng dụng tĩnh điện. Được khôi phục từ: orbus.be