Wimshurst makinesi

Wimshurst etkisi makinesi, 1880-1883 yılları arasında İngiliz mucit James Wimshurst (1832-1903) tarafından , yüksek voltaj üretmesi için geliştirilmiş elektrostatik bir üretici dir.

Makine, iki büyük ters dönen diskler ile farklı bir görünüşe sahiptir. Ayrıca metal fırçalar monte edilmiş iki çapraz çubuk ve iki metal küreden oluşan kıvılcım boşluğu vardır.

Bu makineler etki makineleri olarak adlandırılan elektrostatik jeneratörler sınıfına girmektedir. Etki makineleri, elektrostatik indüksiyon yoluyla ya da etkiyle, elektrik yükleri elde ederler. Çalışmaları sürtünmeden bağımsızdır. Bu sınıfta ilk yapılan makineler Wilhelm Holtz (1865-1867), August Toepler (1865), J.Robert Voss (1880) ve diğerleri tarafından geliştirildi. Daha sonra yapılan makineler daha verimsizdi ve öngörülemeyen kutuplaşma eğilimindeydiler. Wimshurst'un ise bu kusurları yoktur.

Wimshurst makinelerinde, iki yalıtılmış disk ve bunların metal kısımları, metal nötralizatör ve onların fırçaları ile ters yönde dönerler. Yük dengesizliği, her diskin yüzey kenarlarına yerleştirilmiş iki çift metal tarak ile indüklenir,güçlendirilir ve toplanır. Bu toplayıcılar, yalıtım destekler üzerine monte edilir ve çıkış terminallerine bağlanır. Geribeslenme, havanın dielektrik bozunma gerilimine ulaşıldığında ve elektrik kıvılcımı boşluğa atlayana kadar biriken yükleri katlayarak arttırır.

Teorik olarak, makine kendi kendine başlayamaz. Yani eğer diskler üzerindeki hiçbir kısım elektrik şarjına sahip değilse diğer kısımları indükleyebilecek herhangi bir şey yoktur. Pratik olarak ise, herhangi bir kısımda kalan küçük bir yük bile diskleri döndürüp süreci başlatmaya yeterlidir. Makine sadece kuru bir ortamda çok iyi şekilde çalışacaktır. Elektrik alana karşı diskleri çevirmek mekanik bir güç gerektirir ve bu enerji, makinenin elektrik enerjisine dönüştürdüğü enerjidir. Wimshurst makinesinin denge halindeki çıkışı doğru akımdır. Yani metal bölüm ile kaplanan alanla, dönme hızıyla ve başlangıç yük dağılımı fonksiyonuyla doğru orantılıdır. Yalıtım ve makinenin boyutu ulaşabileceği maksimum çıkış voltajını belirler. Biriken kıvılcım enerjisi Leyden kavanozu eşleriyle arttırılabilir. Leyden kavanozu yüksek voltajlar için uygun kapasitörün ilk halidir. Kavanozun içindeki levhalar birbirinden bağımsız bir şekilde her bir çıkış terminaline bağlanırlar. Dışındaki levhalar ise birbirine bağlıdırlar. Tipik bir Wimshurst makinesi diskin çap uzunluğunun üçte biri kadar kıvılcım ve onlarca mikroamper üretebilir.

İki tane birbirine zıt yönde dönen genelde camdan yapılmış diskler içi metal ile doldurulmuş bölümlere sahiptir. Makinede dört küçük topraklanmış fırça (makinenin her iki tarafında 90° ile bağlanan iletken miller üzerinde) beraber yük toplama tarak çiftleri bulunur. Tipik bir Wimshurt makinesindeki fırçaları tutan iletken miller 'X-ışını' fotoğrafındaki 'X' i biçimlendirirdi ; şarj toplama tarakları genellikle yatay olarak monte edilir ve ön ve arka disklerin dış kenarlarına eşit olarak temas kurulur. Her bir taraftaki toplama tarakları genellikle Leyden kavanozu ile tek tek bağlanır.

Herhangi iki diskin üzerindeki küçük bir yük şarj işlemini başlatmak için yeterlidir. Bu yüzden, arkadaki diskin küçük, net bir yüke sahip olduğunu varsayalım. Kesin olması için, bu yükün pozitif (kırmızı) olduğunu ve arkadaki diskin saat yönünün tersine döndüğünü varsayalım. Yüklü kısım (hareket eden kırmızı kareler) fırçanın pozisyonundan ([Y] aşağı ok) B ([B] yukarıdaki merkeze yakın olan zincir) nin yanına kadar döndüğü için, fırçayı tutan iletken milin ([Y-Y1] yukarıdaki yatay siyah çizgi) yükünü polarize eder. Yan tarafını ( [Y] yukarıda karelerin yeşil olduğu kısım) negatif (yeşil) yükler böylece uzak tarafında(diskin karşısında,180° uzağında) pozitif yük birikmiş olur. ([Y1] yukarıda karelerin kırmızı olduğu kısım). Milin polarize yükleri B diskinin yakın kısımlarına bağlanır. B [Y] nin negatif yüklenmesi sonucunda kendiliğinden pozitif yüklü A'ya ve pozitif yüklü B 'nin karşı tarafı B [Y1] e yaklaşır. 45° daha döndükten sonra, A (aşağı zincir) daki pozitif yük(kırmızı) B nin pozitif yüklü ([Z] üst zincir) kısmına yaklaştıkça pozitif yük (kırmızı) tarafından itilir. Karşılanan ilk toplayıcı tarak([Z] üçgen çizgileri) hem pozitif yüklerin nötr kısımdan ayrılmasına hem de Leyden kavanozunun katot kısmından etkilenen anot kısmında birikmesine izin verir. Kıvılcım Leyden kavanozunu geri yüklediğinde yükün disk etrafındaki döngüsünü tamamlar.

B saat yönünde 90° döndürüldüğünde, yükler A diskinin yanındaki fırçalarla aynı hizada indüklenir. B deki yükler A daki fırçalı millerin zıt polarizasyonunu indükler ve milerin polarizasyonu disktekilere dönüştürülür. B diski yönünü sabit tutar ve onun yükü en yakındaki yük biriktirme tarağı ile biriktirilir.

A diskinin 90° döndürülmesi ile yükü B diskinin fırçaları ile aynı hizaya gelir. Bu hiza iki paragraf yukarıda anlatıldığına benzer olarak, B nin en yakın kısmı ve B nin iletken milinin üstünde indüklenen zıt yük polarizasyonunun olduğu yerdir.

A daki her yük polarizasyonunun B deki polarizasyonu indüklemesiyle ve A daki polarizasyonun indüklenmesiyle bu süreç tekrarlanır. Tüm bu pozitif ve negatif indüklenmiş yükler Leyden kavanozu yük tarakları tarafından toplanır. Bu elektrik yük ve depolama cihazı kapasitörlerle benzerdir. Birbirlerine komşu olan kısımlardaki zıt yükleri birbirinden ayırmak için gerekli olan enerji, elektrik çıkışı için enerji kaynağı olmasını sağlar.