Wimshurst elektriseermachine

[Michel Uphoff]

Zoals een aantal van jullie weten bouw ik met enige regelmaat een bekend instrument uit de fysica, waarbij ik niet klakkeloos nabouw, maar liefst zelf tot een goed ontwerp kom. Wie mijn arbeid nog eens wil zien, hier mijn Cavendish experiment, hier de Michelson interferometer, en hier de nevelkamer.

Ik ben van plan een Wimshurst elektriseermachine te bouwen. Dat moet met 50 cm sectorschijven van acrylaat (PMMA) en een motoraandrijving voor ongeveer 200 euro te doen zijn. Daarmee zouden in ideale omstandigheden vonken van bijna 20 cm en een spanning van een half miljoen volt op te wekken moeten zijn.

Maar voor ik overga tot de bouw wil ik eerst de werking zo goed mogelijk doorgronden, en heb diverse uitlegvideo's bekeken, zoals deze.

Maar, óf ik begrijp iets niet, óf het wordt nergens goed toegelicht.

Hoe de ladingen door influentie gescheiden en getransporteerd worden en uiteindelijk verzameld worden in de Leidse flessen is wel duidelijk. Maar wat niet duidelijk voor mij is, is hoe de spanning opgebouwd wordt tot vele tienduizenden volts. Ik zou verwachten dat als er over een van de condensatoren een bepaalde spanning staat, deze alleen nog door een hogere spanning verder opgeladen kan worden. M.a.w. op het moment dat zo'n fles een forse lading heeft, er een stroom gaat lopen naar de sectoren, tenzij de spanning daar nóg hoger is. Maar hoe komt zo'n sector dan aan een lading van tienduizenden volts?

Er lijkt mij sprake te moeten zijn van het optellen van initiële ladingen, terwijl het principe daarachter mij niet duidelijk is.

Wie werpt er licht in mijn duisternis?

[jkien]

Misschien is het mogelijk om de wimshurstmachine, net als de kelvindruppelaar in een oud topic, op te vatten als een opstelling met elektroforen, en daar een schema van te maken met schakelaars en variabele condensatoren.

[Professor Puntje]

Die Kelvindruppelaar was ook het eerste waar ik aan dacht. Het lijkt mij dat je lading aan een plaat van een condensator kunt blijven toevoegen zolang het voorwerp dat je eventjes met die condensatorplaat verbindt maar een hogere ladingsdichtheid heeft dan de plaat van de condensator (of beter: dan het aansluitpunt van die condensatorplaat).

[Professor Puntje]

Waarschijnlijk is het nog wat ingewikkelder: zodra je twee geleiders A en B met ieder een eigen lading Q_A respectievelijk Q_B met elkaar verbindt krijg je één samengestelde geleider S (=A+B) met totale lading Q_S = Q_A + Q_B . Die totale lading Q_S zal zich dan zo over S verdelen dat er binnenin S geen resulterend elektrisch veld meer overblijft. Hoe die verdeling precies uitvalt is afhankelijk van de geometrie van S en van de verder nog aanwezige externe elektrische velden.

[Michel Uphoff]

zolang het voorwerp dat je eventjes met die condensatorplaat verbindt maar een hogere ladingsdichtheid heeft dan de plaat van de condensator

De lading van de sectoren wordt via een 'kam' overgedragen naar de condensator. Die kam moet puntig zijn, zodat lokaal de veldlijnen dicht bijeen gedwongen worden en er een grote veldsterkte ontstaat. Dat vrij 'dichte' veld daar bij die punten lijkt mij dan de crux. Daar hebben we dan de vereiste 'hogere' ladingsdichtheid.

Hierboven wat stills uit deze Youtube video:


Is deze wat meer praktische verklaring zo afdoende?

Een tweede punt dat mij niet helder is: Aan het einde van de elektroden zitten bollen. Dat is verstandig, want op een boloppervlak kan je veel elektronen huisvesten zonder dat de veldlijnen zich rond een punt concentreren en de veldsterkte te snel te hoog wordt. In theorie; hoe groter de bollen, hoe hoger de op te bouwen spanning is voordat er doorslag optreedt. Maar waarom zie ik bij de meeste elektriseermachines twee bollen aan het einde van de elektroden?

Daar is toch geen goede reden voor?

[Xilvo]

Zijn die scherpe punten niet de oorzaak, wegens de grote veldsterkte daar?

[Xilvo]

Je was me al voor

[Xilvo]

Volgens het filmpje treedt ionisatie op bij die punten. Is dat essentieel?

[Professor Puntje]

Volgens het filmpje treedt ionisatie op bij die punten. Is dat essentieel?

Dat vraag ik mij nu ook af. Het is dus geen simpele elektrische verbinding zoals de borsteltjes elders op het apparaat.

[Xilvo]

Volgens het filmpje treedt ionisatie op bij die punten. Is dat essentieel?

Dat vraag ik mij nu ook af. Het is dus geen simpele elektrische verbinding zoals de borsteltjes elders op het apparaat.

Het zal wel moeten. Met influentie alleen krijg je nooit een alsmaar aangroeiend lading op de condensators. Daarvoor is echt ladingstransport nodig.

[Michel Uphoff]

Dat vraag ik mij nu ook af. Het is dus geen simpele elektrische verbinding zoals de borsteltjes elders op het apparaat.

Ik weet, dat je ook als je die puntjes (en bijbehorende ionisatiekanaaltjes), vervangt door een borsteltje dat gewoon contact maakt met de sectoren, het apparaat blijft werken. Ik heb hier zo'n goedkoop kartonnen Wimshurst bouwpakketje en dat ding heeft niet eens een kam die van beide platen de ladingen oppikt, maar slechts een borsteltje dat de lading van een zijde verzamelt:

[Xilvo]

Dat betekent dat er lading vloeit van de sectoren op de schijven naar de condensators, dat dus de potentiaal van de sectoren (die geleidend zijn en dus overal dezelfde potentiaal hebben) hoger moet zijn dan die op de condensator.

Maar waar komt die dan vandaan? Het is me nog steeds een raadsel.

[Professor Puntje]

OK - dat vereenvoudigt de zaak, dan hoeven we ons over die ionisatie niet druk te maken.

[Xilvo]

Rond de vijf minuten in het originele filmpje zie je dat de collectors alle lading van de sectoren verwijderen.
Maar de potentiaal van die sectoren kan niet dalen onder die van de collectors zelf, zeker als die in direct contact komen zoals bij het kartonnen exemplaar.
Er blijft dus een (steeds groter wordende) restlading op die sectoren

[jkien]

Maar waarom zie ik bij de meeste elektriseermachines twee bollen aan het einde van de elektroden?
Daar is toch geen goede reden voor?

• Als je de langste vonk wilt, zonder te weten welke elektrode positief is, gebruik je de kleine bollen van beide elektrodes.
• Als je de langste vonk wilt, en je weet welke elektrode positief is, gebruik je de kleine bol van de positieve elektrode, en de grote bol van de negatieve. Dan moet je de ene elektrode schuiner plaatsen dan de andere.
• Als je de luidste knal wilt gebruik je de grote bollen van beide elektrodes (kun je de kleine bollen er vanaf schroeven?)

1