ウィムズハースト式誘導起電機は、クランクの回転のおかげで電荷の分離によって静電気を生成することができる高電圧、低アンペア数静電発電機です。一方、バッテリー、オルタネーター、ダイナモなどの現在使用されている発電機は、起電力の発生源であり、閉回路内で電荷の移動を引き起こします。
Wimshurstマシンは、1880年から1883年にかけてイギリスのエンジニアであり発明者であるJames Wimshurst（1832-1903）によって開発され、他の発明者が提案した静電発電機のバージョンを改善しました。
Wimshurstマシン。出典：Andy Dingley（スキャナー）
信頼性が高く再現性のある操作とシンプルな構造により、これまでの静電機械よりも優れており、90,000〜100,000ボルトという驚異的な電位差を生成できます。
Wimshurst機械部品
機械のベースは2つの特徴的な断熱材ディスクで、薄い金属シートが放射状セクターの形で取り付けられ、配置されています。
各金属セクターには、正反対の対称的な別のセクターがあります。ディスクの直径は通常30〜40 cmですが、さらに大きくなることもあります。
両方のディスクは垂直面に取り付けられ、1〜5 mmの距離だけ離れています。回転中にディスクが触れないようにすることが重要です。ディスクはプーリー機構によって反対方向に回転します。
Wimshurstマシンには、各ディスクの回転面に平行な2つの金属バーがあります。1つは最初のディスクの外側に向かって、もう1つは2番目のディスクの外側に向かっています。これらのバーは、互いに対してある角度で交差します。
各バーの端には、各ディスクの対向する金属セクターと接触する金属ブラシがあります。それらは中和剤バーとして知られていますが、これについては後で説明します。
ブラシは、バーの一端に接触するディスクのセクターと電気的に（金属的に）接触し続け、セクターは正反対です。同じことが他のアルバムでも起こります。
摩擦電気効果
ディスクのブレードはアルミニウムで作られているが、ブラシとディスクのセクターは異なる金属、ほとんどの場合銅または青銅で作られています。
ディスクが回転している間にそれらの間の一時的な接触とその後の分離により、接着によって電荷を交換する可能性が生じます。これは摩擦電気効果であり、例えば、琥珀と羊毛の布の間でも発生します。
1対のU字型金属コレクター（くし）が、反対側の位置にある金属チップまたはスパイクと共に機械に追加されます。
両方のディスクのセクターは、コレクターUの内部に触れることなく通過します。コレクターは絶縁ベースに取り付けられており、次に球体で終わる他の2つの金属棒に接続されています。
機械的エネルギーがクランクによって機械に供給されると、ブラシの摩擦により電荷を分離する摩擦電気効果が発生します。その後、既に分離された電子がコレクターによって捕捉され、ボトルと呼ばれる2つのデバイスに保存されます。ライデン。
ライデンのボトルまたは水差しは、円筒形の金属フレームを備えた凝縮器です。各ボトルは中央プレートで相互に接続され、2つのコンデンサを直列に形成しています。
クランクを回すと、球体間に電位差が生じるため、球体間の空気が電離し、火花が飛びます。完全なデバイスは上の画像で確認できます。
Wimshurstマシンでは、電気は物質で構成されており、これは原子で構成されています。そして、これらは負の電子と正の陽子の電荷で構成されています。
原子では、正に帯電した陽子が中心または核に、負に帯電した電子がその核の周りに詰め込まれています。
物質が最も外側の電子の一部を失うと、正に帯電します。逆に、いくつかの電子を捕獲すると、正味の負電荷が得られます。陽子と電子の数が等しい場合、材料は中性です。
絶縁材料では、電子は核から離れずに離れることなく核の周りに留まります。しかし、金属では、核が互いに非常に接近しているため、最も外側の電子（または価電子）が1つの原子から別の原子にジャンプし、導電性材料全体を移動できます。
負に帯電した物体が金属板の面の1つに近づくと、金属の電子は静電反発力によって、この場合は反対の面に移動します。その後、プレートは分極したと言われます。
さて、この分極板がその負側の導体（中和バー）によって別の板に接続されている場合、電子はこの2番目の板に移動します。接続が突然切断されると、2番目のプレートは負に帯電します。
ロードおよび保管サイクル
Wimshurstマシンを起動するには、ディスク上の金属セクターの1つに負荷の不均衡が必要です。これは、特に湿度が低い場合に、自然に頻繁に発生します。
ディスクが回転し始めると、反対側のディスクのニュートラルセクターがロードされたセクターに対抗する時間があります。これにより、ブラシのおかげで、大きさが等しく反対方向の電荷が誘導されます。これは、電子がセクターの向きに応じて離れたり近づいたりするためです。
Wimshurstマシンの概略図。出典：RobertKuhlmann
U字コレクターは、図に示すようにディスクが同じ符号の電荷を帯びているため、ディスクが互いに反発するときに電荷を収集し、それらに接続されているライデンボトルにその電荷を格納します。
これを達成するために、Uの内部部分は、各ディスクの外面に向けられた櫛状のピークを突き出しますが、それらには触れません。アイデアは、正の電荷が先端に集中するため、セクターから放出された電子が引き寄せられ、ボトルの中央プレートに蓄積されるというものです。
このようにして、レイデンの中央プレートが負に帯電している間、コレクターに面しているセクターはすべての電子を失い、中性のままです。
反対のコレクターでは反対のことが起こり、コレクターは中和されてプロセスが継続的に繰り返されるまで、向かい合う正極板に電子を送ります。
アプリケーションと実験
Wimshurstマシンの主な用途は、各標識から電気を取得することです。ただし、機械的な作動に依存するため、かなり不規則な電圧を供給するという欠点があります。
中和バーの角度は、高出力電流または高出力電圧を設定するために変更できます。中和装置がコレクターから遠い場合、マシンは高電圧（最大100 kV以上）を供給します。
一方、それらがコレクタに近い場合、出力電圧は減少し、出力電流は増加し、通常の回転速度で最大10マイクロアンペアに達する可能性があります。
蓄積された電荷が十分に高い値に達すると、ライデンの中央プレートに接続された球に高電界が発生します。
この電界は空気をイオン化して火花を発生させ、ボトルを放電して新しい充電サイクルを引き起こします。
実験1
静電場の影響は、ボール紙のシートを球の間に置いて、火花がその中に穴を開けることを観察することで理解できます。
実験2
この実験では、次のものが必要になります。アルミホイルで覆われたピンポン球と2つのL字型金属板で作られた振り子。
ボールは、絶縁ワイヤーによって2枚のシートの中央に吊り下げられています。各シートは、クランプ付きケーブルでWimshurstマシンの電極に接続されています。
クランクが回されると、最初はニュートラルなボールがブレード間で振動します。それらの1つは、正のシートに引き付けられるボールに降伏する過剰な負の電荷を持ちます。
ボールはこのシートに過剰な電子を堆積し、短時間中和され、クランクが回転し続ける限り、サイクルが繰り返されます。
参考文献
- De Queiroz、A。静電マシン。回収元：coe.ufrj.br
- ガカノビッチ、ミコ。2010年。静電アプリケーションの原則。回収元：orbus.be