WIMSHURST-MASCHINE: GESCHICHTE, FUNKTIONSWEISE UND ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Die Wimshurst-Maschine ist ein elektrostatischer Hochspannungsgenerator mit niedriger Stromstärke, der dank Kurbeltrennung durch Ladungstrennung statische Elektrizität erzeugen kann. Andererseits sind die derzeit verwendeten Generatoren wie Batterien, Lichtmaschinen und Dynamos eher Quellen elektromotorischer Kraft, die Ladungsbewegungen in einem geschlossenen Kreislauf verursachen.

Die Wimshurst-Maschine wurde zwischen 1880 und 1883 vom britischen Ingenieur und Erfinder James Wimshurst (1832-1903) entwickelt und verbessert die von anderen Erfindern vorgeschlagenen Versionen elektrostatischer Generatoren.

Wimshurst Maschine. Quelle: Andy Dingley (Scanner)

Es zeichnet sich gegenüber früheren elektrostatischen Maschinen durch einen zuverlässigen, reproduzierbaren Betrieb und eine einfache Konstruktion aus und kann eine erstaunliche Potentialdifferenz zwischen 90.000 und 100.000 Volt erzeugen.

Wimshurst Maschinenteile

Die Basis der Maschine sind die beiden charakteristischen Isoliermaterialscheiben, an denen dünne Metallbleche angebracht und in Form von radialen Sektoren angeordnet sind.

Jeder Metallsektor hat einen anderen diametral entgegengesetzten und symmetrischen. Die Scheiben haben normalerweise einen Durchmesser zwischen 30 und 40 cm, können aber auch viel größer sein.

Beide Scheiben sind in einer vertikalen Ebene montiert und durch einen Abstand zwischen 1 und 5 mm voneinander getrennt. Es ist wichtig, dass sich die Discs beim Drehen niemals berühren. Die Scheiben werden mittels eines Riemenscheibenmechanismus in entgegengesetzte Richtungen gedreht.

Die Wimshurst-Maschine hat zwei Metallstangen parallel zur Rotationsebene jeder Scheibe: eine zur Außenseite der ersten Scheibe und die andere zur Außenseite der zweiten Scheibe. Diese Balken schneiden sich in einem Winkel zueinander.

Die Enden jeder Stange haben Metallbürsten, die mit gegenüberliegenden Metallsektoren auf jeder Scheibe in Kontakt kommen. Sie werden aus gutem Grund als Neutralisationsstäbe bezeichnet, auf die in Kürze eingegangen wird.

Die Bürsten halten elektrischen (metallischen) Kontakt mit dem Sektor der Scheibe, der ein Ende der Stange berührt, wobei der Sektor diametral gegenüberliegt. Das gleiche passiert auf dem anderen Album.

Der triboelektrische Effekt

Die Bürsten und Sektoren der Scheibe bestehen aus verschiedenen Metallen, fast immer aus Kupfer oder Bronze, während die Klingen der Scheiben aus Aluminium bestehen.

Der flüchtige Kontakt zwischen ihnen, während sich die Scheiben drehen, und die anschließende Trennung schaffen die Möglichkeit, Ladungen durch Adhäsion auszutauschen. Dies ist der triboelektrische Effekt, der beispielsweise auch zwischen einem Stück Bernstein und einem Wolltuch auftreten kann.

Der Maschine wird ein Paar U-förmiger Metallkollektoren (Kämme) mit Metallspitzen oder -spitzen hinzugefügt, die sich in entgegengesetzten Positionen befinden.

Die Sektoren beider Scheiben verlaufen durch den inneren Teil des Kollektors U, ohne ihn zu berühren. Die Kollektoren sind auf einer isolierenden Basis montiert und wiederum mit zwei anderen Metallstangen verbunden, die in Kugeln enden, sich schließen, aber auch nicht berühren.

Wenn der Maschine über die Kurbel mechanische Energie zugeführt wird, erzeugt die Reibung der Bürsten den triboelektrischen Effekt, der die Ladungen trennt. Danach werden die bereits getrennten Elektronen von den Kollektoren eingefangen und in zwei als Flaschen bezeichneten Geräten gespeichert Leyden.

Die Leyden-Flasche oder der Leyden-Krug ist ein Kondensator mit zylindrischen Metallrahmen. Jede Flasche ist durch die Zentralplatte miteinander verbunden und bildet zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren.

Das Drehen der Kurbel erzeugt einen so hohen Unterschied im elektrischen Potential zwischen den Kugeln, dass die Luft zwischen ihnen ionisiert und ein Funke springt. Das komplette Gerät ist im Bild oben zu sehen.

In der Wimshurst-Maschine kommt Elektrizität aus Materie, die aus Atomen besteht. Und diese wiederum bestehen aus elektrischen Ladungen: negativen Elektronen und positiven Protonen.

Im Atom sind die positiv geladenen Protonen im Zentrum oder im Kern und die negativ geladenen Elektronen um seinen Kern herum gepackt.

Wenn ein Material einige seiner äußersten Elektronen verliert, wird es positiv geladen. Wenn Sie dagegen einige Elektronen einfangen, erhalten Sie eine negative Nettoladung. Wenn die Anzahl der Protonen und Elektronen gleich ist, ist das Material neutral.

In isolierenden Materialien bleiben Elektronen um ihre Kerne herum, ohne zu weit streuen zu können. In Metallen sind die Kerne jedoch so nahe beieinander, dass die äußersten Elektronen (oder Valenzen) von einem Atom zum anderen springen und sich durch das leitende Material bewegen können.

Wenn sich ein negativ geladenes Objekt einer der Flächen einer Metallplatte nähert, bewegen sich die Elektronen des Metalls durch elektrostatische Abstoßung weg, in diesem Fall zur gegenüberliegenden Fläche. Die Platte soll dann polarisiert sein.

Wenn nun diese polarisierte Platte durch einen Leiter (Neutralisationsstäbe) auf ihrer negativen Seite mit einer anderen Platte verbunden ist, würden sich die Elektronen zu dieser zweiten Platte bewegen. Wenn die Verbindung plötzlich unterbrochen wird, ist die zweite Platte negativ geladen.

Lade- und Speicherzyklus

Damit die Wimshurst-Maschine booten kann, muss einer der Metallsektoren auf der Festplatte ein Lastungleichgewicht aufweisen. Dies geschieht natürlich und häufig, insbesondere bei geringer Luftfeuchtigkeit.

Wenn sich die Scheiben zu drehen beginnen, gibt es eine Zeit, in der ein neutraler Sektor der gegenüberliegenden Scheibe dem geladenen Sektor gegenüberliegt. Dies induziert dank der Bürsten eine Ladung gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung, da sich die Elektronen je nach dem Vorzeichen des einander zugewandten Sektors weg oder näher bewegen.

Schema der Wimshurst-Maschine. Quelle: RobertKuhlmann

Die U-förmigen Sammler sind für das Sammeln der Ladung verantwortlich, wenn sich die Scheiben gegenseitig abstoßen, da sie mit Ladungen des gleichen Zeichens wie in der Abbildung gezeigt aufgeladen werden, und speichern diese Ladung in den mit ihnen verbundenen Leyden-Flaschen.

Um dies zu erreichen, ragt der innere Teil des U aus kammartigen Spitzen heraus, die auf die Außenseiten jeder Scheibe gerichtet sind, ohne sie jedoch zu berühren. Die Idee ist, dass die positive Ladung an den Spitzen konzentriert wird, so dass die aus den Sektoren ausgestoßenen Elektronen angezogen werden und sich in der zentralen Platte der Flaschen ansammeln.

Auf diese Weise verliert der dem Kollektor zugewandte Sektor alle seine Elektronen und bleibt neutral, während die zentrale Platte des Leyden negativ geladen ist.

Im gegenüberliegenden Kollektor geschieht das Gegenteil, der Kollektor liefert Elektronen an die ihm zugewandte positive Platte, bis sie neutralisiert ist und der Vorgang kontinuierlich wiederholt wird.

Anwendungen und Experimente

Die Hauptanwendung der Wimshurst-Maschine besteht darin, Strom von jedem Schild zu erhalten. Es hat jedoch den Nachteil, dass es eine eher unregelmäßige Spannung liefert, da es von der mechanischen Betätigung abhängt.

Der Winkel der Neutralisationsstäbe kann variiert werden, um einen hohen Ausgangsstrom oder eine hohe Ausgangsspannung einzustellen. Wenn die Neutralisatoren weit von den Kollektoren entfernt sind, liefert die Maschine eine hohe Spannung (bis zu mehr als 100 kV).

Wenn sie sich andererseits in der Nähe der Kollektoren befinden, nimmt die Ausgangsspannung ab und der Ausgangsstrom steigt an und kann bei normalen Drehzahlen bis zu 10 Mikroampere erreichen.

Wenn die akkumulierte Ladung einen ausreichend hohen Wert erreicht, wird in den mit den Zentralplatten des Leyden verbundenen Kugeln ein hohes elektrisches Feld erzeugt.

Dieses Feld ionisiert die Luft und erzeugt den Funken, entlädt die Flaschen und führt zu einem neuen Ladezyklus.

Versuch 1

Die Auswirkungen des elektrostatischen Feldes können erkannt werden, indem ein Blatt Pappe zwischen die Kugeln gelegt wird und beobachtet wird, dass die Funken Löcher darin bilden.

Experiment 2

Für dieses Experiment benötigen Sie: ein Pendel aus einer mit Aluminiumfolie bedeckten Tischtenniskugel und zwei L-förmigen Metallblechen.

Die Kugel wird mittels eines Isolierdrahtes in die Mitte der beiden Bleche gehängt. Jedes Blatt ist über Kabel mit Klemmen mit den Elektroden der Wimshurst-Maschine verbunden.

Wenn die Kurbel gedreht wird, schwingt die anfänglich neutrale Kugel zwischen den Schaufeln. Einer von ihnen hat einen Überschuss an negativer Ladung, die dem Ball nachgibt, der vom positiven Blatt angezogen wird.

Der Ball legt seine überschüssigen Elektronen auf diesem Blatt ab, wird kurz neutralisiert und der Zyklus wiederholt sich erneut, solange sich die Kurbel weiter dreht.

Verweise

1. De Queiroz, A. Elektrostatische Maschinen. Wiederhergestellt von: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Prinzipien der elektrostatischen Anwendung. Wiederhergestellt von: orbus.be