Wimshurst elektriseermachine

[Professor Puntje]

@ Xilvo

Ik vraag mij af of een ronddraaiend geisoleerd strookje metaal wel een goed gedefinieerde potentiaal heeft. Zie ook hier: viewtopic.php?t=172964

[Michel Uphoff]

Als je de luidste knal wilt gebruik je de grote bollen van beide elektrodes

Dat levert dan de hoogste capaciteit op en dus de luidste knal. Maar echt duidelijk is het mij niet of, en zo ja hoe, een combinatie van een grote en een kleine bol tot een hogere spanning (=langere vonk) kan leiden dan bij twee grote bollen; ik zou immers denken dat de veldlijnen in het eerste geval bij de kleine bol meer gebundeld worden zodat er eerder doorslag plaatsvindt. Kennelijk is dat toch niet het geval?

Als ik vanwege die asymmetrie verschillende diameters wil gaan gebruiken, dan heb ik wel een eenvoudige methode nodig om de polariteit te bepalen.

[jkien]

Maar echt duidelijk is het mij niet of, en zo ja hoe, een combinatie van een grote en een kleine bol tot een hogere spanning (=langere vonk) kan leiden dan bij twee grote bollen; ik zou immers denken dat de veldlijnen in het eerste geval bij de kleine bol meer gebundeld worden zodat er eerder doorslag plaatsvindt. Kennelijk is dat toch niet het geval?

Wat ik er van begrepen heb is dat de bekende regel van 30 kV/cm alleen geldt voor twee bollen met straal oneindig, of r/d>>1, waar d de breedte van de luchtspleet is. Maar voor twee gelijke bollen met eindige straal r is de doorslagspanning lager, volgens de formule \(
U_r = 27.2 \cdot \delta\cdot r \cdot \frac{(1 + 0.54 / \sqrt{\delta \cdot r}) \cdot d /r}{0.25 ( d/r +1 + \sqrt{(d/r+1)^2 +8}} \), waarbij de luchtdichtheidsfactor \(\delta = \frac{p/T}{p_0/T_0}\), dat is 1 bij STP (10⁵ Pa en 20°C). Voor r=oneindig wordt dit \( U_{r= \infty } = 27.2 \cdot \delta\cdot d = 30 (kV/cm) \cdot d(cm) \)

Dit impliceert dat als je bij kleinere bollen een langere vonk krijgt, dat dat komt doordat de doorslagspanning \(U_r\) afneemt als r kleiner wordt. Dus niet door een hogere spanning.

hindiwa

Als ik vanwege die asymmetrie verschillende diameters wil gaan gebruiken, dan heb ik wel een eenvoudige methode nodig om de polariteit te bepalen.

Dan kun je beter de "toevallige" initiele lading na iedere vonk zelf injecteren, bijvoorbeeld met een opgewreven ballon die je op de juiste plek bij Wimshurstgenerator houdt. Als je het niet zelf forceert verandert na iedere vonk de positieve elektrode at random.

[Professor Puntje]

https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrise ... _Cycle.gif

Het afvangen van de opgebouwde gelijknamige ladingen op de strips gebeurt gelijktijdig op de twee wielen in tegengestelde richtingen (zie de link hierboven). Die twee ladingen duwen elkaar uit de strips en in de Leidse flessen. Natuurlijk ondervinden die ladingen ook een tegenwerkende kracht door het elektrische veld van de lading die al in de Leidse flessen zit. Dus dat is dan een kwestie van wat er het sterkste is. Ik kan mij voorstellen dat de Leidse flessen op zeker moment zo sterk geladen kunnen worden dat er geen verdere ladingen van de strips meer kunnen worden opgenomen.

[Xilvo]

in het filmpje (rond 2:25) zie je dat een negatief geladen sector, wanneer tegenover een neutrale sector geplaatst, door influentie een overschot aan negatieve lading aan de overzijde veroorzaakt (groen) en een tekort daaraan aan de nabije zijde (rood).
Vervolgens wordt door de 'neutralizer', het borsteltje, een deel van die lading naar een diametraal liggende sector verplaatst.

Is het plaatje/filmpje niet wat misleidend? In de sector, van geleidend materiaal, is geen veld aanwezig, de potentiaal is overal gelijk. Zou de neutralizer, indien in contact met de sector aan de 'binnenzijde' (rood gekleurd want positief) niet dezelfde potentiaal voelen als hij aan de buitenzijde doet en daardoor precies evenveel negatieve lading naar de diametraal liggende sector transporteren?

[Professor Puntje]

Ik vind de uitleg in het filmpje verwarrend, en daarom heb ik iets anders opgezocht. De bewegende gif op Wikipedia kan ik wel volgen.

In een ideaal geleidend materiaal is in de evenwichtstoestand geen spanning aanwezig maar in aanloop naar zo'n evenwichtstoestand staat er wel even een spanning over om de ladingen naar zodanige plaatsen op het oppervlak van het materiaal te geleiden dat het netto elektrische veld binnen in het materiaal weer nul wordt.

[Professor Puntje]

Het woord "neutralizer" is hier misplaatst want het is juist die tijdelijke verbinding van diagonaal tegenoverliggende strips op hetzelfde wiel die een netto ladingsopbouw op die strips mogelijk maakt.

[jkien]

Ik heb de animatie van wikipedia aangepast (m.b.v. de ezgif-website) om de verspreiding van een ergens geinjecteerde lading te bekijken. Vroeg in mijn animatie verschijnt een geel blokje, dat is de injectie. Het donkerrode blokje komt dan tegenover Y, en induceert daar een lading. Nu ik het terugzie had ik misschien beter het zwarte blokje ervoor de geinduceerde lading kunnen geven, want het groene blokje behoudt de lading alleen als hij eerder dan het donkerrode blokje weg is van Y. De verspreiding hangt af van kleine details.

wimshurst wiki alt.gif (119.98 KiB) 1338 keer bekeken

[Michel Uphoff]

dat komt doordat de doorslagspanning Ur afneemt als r kleiner wordt

Duidelijk. Hogere velddichtheid.

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.

Intuïtief zou ik het juist andersom zien; alleen elektronen kunnen zich verplaatsen dus als die samenpakken op de kleine bol, is er sneller een hoge velddichtheid en doorslag. Kun je het wat nader toelichten?

kun je de kleine bollen er vanaf schroeven?

Dat zou ik eenvoudig zo kunnen maken, maar als ik de kleine bol van de grote afschroef, dan zit ik of met een uitstekend draadeind of met een schroefgat op de grote bol. Dat levert scherpe overgangen en plaatselijk veel ladingsdichtheid op. Dus dat wil ik vermijden. Ik denk dat ik met twee verschillende maten afschroefbare ballen ga werken, kan ik kiezen voor kleine-klein, groot-klein (v.v.), groot-groot naar believen zonder dat ik oneffenheden heb.

Algemeen: Inmiddels de eerste onderdelen, wat materiaal voor poelies, drijfriemen, een aantal RVS bollen van verschillende diameter en de twee schijven perspex besteld.

[jkien]

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.

Intuïtief zou ik het juist andersom zien; alleen elektronen kunnen zich verplaatsen dus als die samenpakken op de kleine bol, is er sneller een hoge velddichtheid en doorslag. Kun je het wat nader toelichten?

Ik weet het niet. Ik heb het uit de beschrijving van Queiroz. In de originele tekst van Wimshurst uit 1893 staat een figuur met twee ongelijke elektrodes (de ene met een kleine bal, de andere met een grote), maar in de tekst noemt Wimshurst dat niet.

kun je de kleine bollen er vanaf schroeven?

Dat zou ik eenvoudig zo kunnen maken, maar als ik de kleine bol van de grote afschroef, dan zit ik of met een uitstekend draadeind of met een schroefgat op de grote bol. Dat levert scherpe overgangen en plaatselijk veel ladingsdichtheid op. Dus dat wil ik vermijden. Ik denk dat ik met twee verschillende maten afschroefbare ballen ga werken, kan ik kiezen voor kleine-klein, groot-klein (v.v.), groot-groot naar believen zonder dat ik oneffenheden heb.

Het voordeel van een dubbele bol op de negatieve elektrode is dat de vonk er soms spectaculair uitziet omdat hij de vorm heeft van een stam die in twee takken splitst. De stam gaat uit van de positieve bol, de twee takken gaan naar de twee negatieve bollen. Zoals op deze foto's van Steampunk Workshop en van Daniel Rutter

Queiroz zegt hier dat de vonken soms langer worden als de kleine bol met een isolator gescheiden is van de grote bol

Had je trouwens de WMD calculator van Queiroz gezien die ontwerpadvies geeft? Op basis van de schijfgrootte geeft die een schatting van de vonklengte en de stroom, en advies over de afmetingen van de sectoren.

[Michel Uphoff]

Ja die calculator heb ik. Ik ga nog wat doorlezen over de boldiameters en -combinaties.

[Michel Uphoff]

Een eerste schetsontwerp van de globale verhoudingen en het riemmechanisme. Vrijwel alle Wimshurst machines werken met twee riemen voor de schijven, waarbij een riem gekruist is voor de tegengestelde draairichting. Dat levert gepiep en slijtage en rubberpoeder op de schijven op. Dit ontwerp heeft dat probleem niet, en het biedt ook betere mogelijkheden voor een gecombineerde hand- (rose) en motoraandrijving (paars). Heel veel detail is weggelaten, zo zal de motor ontkoppeld moeten kunnen worden en de slinger afneembaar. Verder moet er voor de gewenste pakweg 1000-1500 rpm max van de schijven waarschijnlijk een vertragingsbakje tussen de motor en poelie komen.
Het frame wordt gemaakt van een composiet kunststof (celleronplaat) evenals de houders voor de kogellagers, en wellicht draai ik ook de poelies uit dat materiaal.
De schijven zijn van 6 mm perspex en hebben een diameter van 40 cm. Ik denk dat ik de onderlinge afstand instelbaar maak, zodat ik ook hiermee wat kan optimaliseren. De sectoren (ik denk 32 per schijf, maar ik ben daar nog over aan het piekeren) worden gemaakt uit een rol van 0,1 mm dik halfhard aluminiumfolie met lijmlaag. Ook de Leidse flessen worden hiermee bekleed.

Ik zit nog met veel beslissingen en vragen, maak die komen gaandeweg wel.
Ideeën, tips zijn van harte welkom.

[Xilvo]

Mooi bedacht, die loop van de riem!

[Professor Puntje]

Hoe zit het met de geleiding van de aluminiumfolie naar de borsteltjes?

[Michel Uphoff]

Naar de 'conductorarmen' bedoel je neem ik aan. De collectors (die de Leidse flessen opladen) raken de sectoren niet.

Over de borsteltjes en die geleiders ben ik wat aan het denken. Ik denk aan een staafje aluminium van 4 mm dik, met aan weerszijden een kogeltje. In dat kogeltje komt een gaatje, waarin ik een cilindervormig maar aan een kant uitgekamd stukje litze koperdraad kan steken. Als je het kogeltje (met schroefdraad) op de geleidestang schroeft, draai je ook dat stukje litze vast. Zo is het eenvoudig te vervangen, en een net gezicht. In het midden komt een ring zodat de arm over de as van de schijven gelegd kan worden zonder deze te raken om zo kortsluiting met de andere conductor te vermijden. Zo iets:

Als ik de litze voldoende dun kies (er zijn litzedraadjes te koop met adertjes van slechts enkele honderdsten mm dik), dan zal dat het aluminium naar ik hoop heel weinig beschadigen.