MESIN WIMSHURST: SEJARAH, CARA IA BERFUNGSI DAN APLIKASI - FIZIKAL - 2026

The mesin Wimshurst ialah voltan yang tinggi, aliran elektrik rendah penjana elektrostatik, mampu menghasilkan elektrik statik oleh pemisahan caj, terima kasih kepada pergantian engkol. Sebaliknya, generator yang digunakan sekarang seperti bateri, alternator dan dynamos merupakan sumber daya elektromotif, yang menyebabkan pergerakan cas dalam litar tertutup.

Mesin Wimshurst dikembangkan oleh jurutera dan pencipta Britain James Wimshurst (1832-1903) antara tahun 1880 dan 1883, memperbaiki versi penjana elektrostatik yang dicadangkan oleh pencipta lain.

Mesin Wimshurst. Sumber: Andy Dingley (pengimbas)

Ia menonjol daripada mesin elektrostatik sebelumnya kerana operasi yang boleh dipercayai, boleh dihasilkan semula dan pembinaannya yang sederhana, mampu menghasilkan perbezaan potensi yang mengejutkan antara 90,000 hingga 100,000 volt.

Bahagian mesin Wimshurst

Asas mesin adalah dua cakera bahan penebat khas, dengan kepingan logam nipis yang terpasang dan disusun dalam bentuk sektor radial.

Setiap sektor logam mempunyai satu sama lain yang berlawanan dan simetri. Cakera biasanya berdiameter antara 30 dan 40 cm, tetapi juga boleh lebih besar.

Kedua-dua cakera dipasang dalam satah menegak dan dipisahkan dengan jarak antara 1 hingga 5 mm. Penting agar cakera tidak menyentuh semasa berputar. Cakera diputar ke arah yang berlawanan dengan menggunakan mekanisme takal.

Mesin Wimshurst mempunyai dua batang logam yang selari dengan bidang putaran setiap cakera: satu ke arah luar cakera pertama dan satu lagi ke arah luar cakera kedua. Batang ini bersilang pada sudut yang saling berkaitan.

Hujung setiap bar mempunyai berus logam yang bersentuhan dengan sektor logam yang bertentangan pada setiap cakera. Mereka dikenali sebagai bar peneutralan, dengan alasan yang baik yang akan dibincangkan tidak lama lagi.

Berus terus elektrik (logam) menghubungi sektor cakera yang menyentuh salah satu hujung bar, dengan sektor yang bertentangan secara diametrik. Perkara yang sama berlaku pada album yang lain.

Kesan triboelektrik

Berus dan sektor cakera diperbuat daripada logam yang berbeza, hampir selalu tembaga atau gangsa, sementara bilah cakera diperbuat daripada aluminium.

Kontak sekejap di antara mereka semasa cakera berputar dan pemisahan berikutnya, mewujudkan kemungkinan pertukaran caj melalui lekatan. Ini adalah kesan triboelektrik, yang juga boleh berlaku antara sehelai ambar dan kain wol, misalnya.

Sepasang pengumpul logam berbentuk sisir (sisir) ditambahkan ke mesin dengan hujung atau paku logam, terletak di kedudukan yang bertentangan.

Sektor kedua-dua cakera melewati bahagian dalaman pengumpul U tanpa menyentuhnya. Pengumpul dipasang pada dasar penebat dan seterusnya dihubungkan ke dua batang logam lain yang berakhir dengan sfera, ditutup tetapi tidak menyentuh kedua-duanya.

Apabila tenaga mekanikal dibekalkan ke mesin menggunakan engkol, geseran berus menghasilkan kesan triboelektrik yang memisahkan cas, selepas itu elektron yang sudah dipisahkan ditangkap oleh pengumpul dan disimpan dalam dua alat yang disebut botol Leyden.

Botol atau kendi Leyden adalah kondensor dengan bingkai logam silinder. Setiap botol disambungkan ke piring pusat yang lain, membentuk dua kapasitor secara bersiri.

Memusing engkol menghasilkan perbezaan tinggi dalam keupayaan elektrik antara sfera sehingga udara di antara mereka mengion dan percikan melonjak. Peranti yang lengkap dapat dilihat pada gambar di atas.

Di mesin Wimshurst, elektrik keluar dari bahan, yang terdiri daripada atom. Dan ini seterusnya terdiri daripada cas elektrik: elektron negatif dan proton positif.

Di dalam atom, proton bermuatan positif dibungkus di tengah atau nukleus dan elektron bercas negatif di sekitar nukleusnya.

Apabila bahan kehilangan sebahagian elektron terluarnya, ia akan dicas positif. Sebaliknya, jika anda menangkap beberapa elektron, anda akan mendapat cas negatif bersih. Apabila bilangan proton dan elektron sama, bahan itu neutral.

Dalam bahan penebat, elektron berada di sekitar inti mereka tanpa kemampuan menyimpang terlalu jauh. Tetapi dalam logam, inti sangat dekat satu sama lain sehingga elektron terluar (atau valens) dapat melompat dari satu atom ke atom yang lain, bergerak ke seluruh bahan konduktif.

Sekiranya objek bercas negatif menghampiri salah satu muka plat logam, maka elektron logam menjauh dengan tolakan elektrostatik, dalam hal ini ke muka yang bertentangan. Plat tersebut kemudiannya dikatakan terpolarisasi.

Sekarang, jika plat terpolarisasi ini dihubungkan oleh konduktor (bar peneutralan) di sisi negatifnya ke plat lain, elektron akan bergerak ke plat kedua ini. Sekiranya sambungan tiba-tiba terputus, plat kedua dicas secara negatif.

Beban dan kitaran penyimpanan

Agar mesin Wimshurst dapat boot, salah satu sektor logam pada cakera perlu mengalami ketidakseimbangan beban. Ini berlaku secara semula jadi dan kerap, terutamanya apabila terdapat sedikit kelembapan.

Apabila cakera mula berputar, akan ada masa apabila sektor neutral cakera yang bertentangan menentang sektor yang dimuat. Ini menyebabkannya dikenakan magnitud yang sama dan arah yang bertentangan berkat berus, kerana elektron bergerak jauh atau menghampiri, sesuai dengan tanda sektor yang menghadap.

Skema mesin Wimshurst. Sumber: RobertKuhlmann

Pengumpul berbentuk U bertanggungjawab mengumpulkan caj apabila cakera saling menghalau kerana mereka dikenakan caj dengan tanda yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam gambar, dan menyimpan cas tersebut di dalam botol Leyden yang bersambung dengannya.

Untuk mencapainya, bahagian dalaman U menonjolkan puncak seperti sisir yang diarahkan ke arah luaran setiap cakera, tetapi tanpa menyentuhnya. Ideanya adalah bahawa cas positif tertumpu pada petua, sehingga elektron yang dikeluarkan dari sektor tertarik dan terkumpul di piring tengah botol.

Dengan cara ini, sektor yang menghadap pemungut kehilangan semua elektronnya dan tetap neutral, sementara plat pusat Leyden dicas negatif.

Dalam pengumpul yang berlawanan berlaku sebaliknya, pengumpul menyampaikan elektron ke plat positif yang menghadapnya sehingga dinetralkan dan prosesnya diulang secara berterusan.

Aplikasi dan eksperimen

Aplikasi utama mesin Wimshurst adalah mendapatkan elektrik dari setiap tanda. Tetapi ia mempunyai keburukan bahawa ia membekalkan voltan yang tidak teratur, kerana bergantung pada penggerak mekanikal.

Sudut bar peneutralan dapat diubah untuk mengatur arus keluaran tinggi atau voltan keluaran tinggi. Sekiranya peneutralan jauh dari pengumpul, mesin akan menghasilkan voltan tinggi (sehingga lebih daripada 100 kV).

Sebaliknya, jika mereka dekat dengan pengumpul, voltan keluaran menurun dan arus keluaran meningkat, dan dapat mencapai hingga 10 mikroamper pada kecepatan putaran normal.

Apabila muatan terkumpul mencapai nilai yang cukup tinggi maka medan elektrik tinggi dihasilkan di sfera yang disambungkan ke plat pusat Leyden.

Medan ini mengionkan udara dan menghasilkan percikan api, melepaskan botol dan menimbulkan kitaran pengisian baru.

Eksperimen 1

Kesan medan elektrostatik dapat dihargai dengan meletakkan kepingan kadbod di antara sfera dan memerhatikan bahawa percikan api membuat lubang di dalamnya.

Eksperimen 2

Untuk eksperimen ini, anda memerlukan: pendulum yang terbuat dari bola ping pong yang ditutup dengan aluminium foil dan dua kepingan logam berbentuk L.

Bola digantung di tengah-tengah dua helai dengan menggunakan wayar penebat. Setiap helaian disambungkan ke elektrod mesin Wimshurst dengan kabel dengan pengapit.

Semasa engkol dipusingkan, bola yang pada mulanya neutral akan berayun di antara bilah. Salah satu daripadanya akan memiliki kelebihan muatan negatif yang akan menghasilkan bola, yang akan tertarik dengan lembaran positif.

Bola akan meletakkan lebihan elektronnya pada helaian ini, ia akan dinetralkan sebentar dan kitaran akan berulang sepanjang engkol terus berpusing.

Rujukan

1. De Queiroz, A. Mesin Elektrostatik. Dipulihkan dari: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Prinsip Aplikasi Elektrostatik. Dipulihkan dari: orbus.be