ウィムズハーストマシン

ウィムズハーストマシン
	2つのライデン瓶を備えたウィムズハースト機械
タイプ	静電発電機
発明家	ジェームズ・ウィムズハースト
インセプション	1880年頃

ウィムズハーストマシンが稼働中

ウィムズハースト機械またはウィムズハースト影響機械は、 1880年から1883年の間にイギリスの発明家ジェームズ・ウィムズハースト（1832年 - 1903年）によって開発された高電圧を発生させる静電発電機である。^[^要出典^]

垂直面に取り付けられた 2 つの大きな逆回転ディスク、金属ブラシが付いた 2 本の交差バー、および2 つの金属球によって形成されたスパークギャップを備えた独特の外観を備えています。

説明

これらの機械は、誘導発電機と呼ばれる静電発電機の一種で、動作に摩擦を利用せず、静電誘導または影響によって電荷を分離します。このクラスの初期の機械は、ヴィルヘルム・ホルツ(1865 年と 1867 年)、アウグスト・テプラー(1865 年)、J. ロバート・フォス (1880 年) らによって開発されました。古い機械は効率が低く、極性が切り替わる予測できない傾向がありますが、ウィムズハースト機械にはどちらの欠点もありません。

ウィムズハーストマシンでは、2 つの絶縁ディスクとその金属セクターが反対方向に回転し、交差した金属中和バーとそのブラシを通過します。電荷の不均衡が、各ディスクの表面近くにポイントが配置された 2 組の金属コームによって誘発され、増幅され、収集されます。これらのコレクターは絶縁サポートに取り付けられ、出力端子に接続されています。正のフィードバックにより、蓄積された電荷が指数関数的に増加し、空気の絶縁破壊電圧に達して電気火花がギャップを飛び越えます。

この機械は理論的には自己始動性がなく、つまりディスクのどのセクターにも電荷がない場合、他のセクターに電荷を誘導するものは何もない。実際には、ディスクが回転し始めると、どのセクターにわずかな残留電荷があっても、プロセスを開始するのに十分である。この機械は乾燥した雰囲気でのみ満足に動作する。電界に逆らってディスクを回転させるには機械的な力が必要であり、このエネルギーが機械によって火花の電力に変換される。ウィムズハースト機械の定常出力は、金属セクターが覆う面積、回転速度、および初期電荷分布の複雑な関数に比例する直流（非交流）電流である。機械の絶縁とサイズによって、達成可能な最大出力電圧が決まる。蓄積された火花エネルギーは、高電圧に適した初期のタイプのコンデンサであるライデン瓶を 1 組追加することで増加させることができる。ライデン瓶の内側のプレートは各出力端子に独立して接続され、外側のプレートは相互接続される。典型的なウィムズハースト機械は、長さがディスクの直径の約 3 分の 1 で、数十マイクロアンペアの火花を生成できます。

利用可能な電圧ゲインは、中和バー間の反対に帯電したセクターの電荷密度がセクター全体でほぼ均一であり、したがって低電圧であるのに対し、コレクターコームに近づく同じ電荷のセクターの電荷密度はセクターの端の近くでピークに達し、その結果、反対側のコレクターコームに比べて高い電圧になることに注目することで理解できます。^{[引用が必要]}

ウィムズハースト装置は 19 世紀に物理学の研究に使用されました。20世紀の最初の 20 年間は、第 1 世代のクルックスX 線管に電力を供給する高電圧を生成するためにも時々使用されましたが、ホルツ装置と誘導コイルの方が一般的に使用されていました。現在では、静電気の原理を説明するために科学博物館や教育機関でのみ使用されています。

手術

2 つの逆回転絶縁ディスク (通常はガラス製) には、多数の金属セクターが貼り付けられています。マシンには、4 つの小さなブラシ (マシンの両側に 2 つずつ、互いに 90° の導電シャフトに取り付けられています) と、1 組の電荷収集コームが備えられています。典型的なウィムズハーストマシンのブラシを保持する導電シャフトは、絶縁ディスクを通して見ると、互いに垂直であるため、「X」の形を形成します。電荷収集コームは通常、水平方向に取り付けられ、前面ディスクと背面ディスクの両方の外縁に均等に接触します。各側の収集コームは、通常、それぞれのライデン瓶に接続されています。

2 つのディスクのいずれかにわずかな電荷が加わるだけで、充電プロセスが開始されます。したがって、後ろのディスクに小さな正味の静電気電荷があるとします。具体的には、この電荷が正 (赤) で、後ろのディスク ([A] 下のチェーン) が反時計回り (右から左) に回転するとします。帯電したセクター (移動する赤い四角) が、ブラシ ([Y] 下矢印の先端) が前のディスク ([B] 上部のチェーンの中央付近) の隣にある位置まで回転すると、ブラシを保持している導電シャフト ([Y-Y1] 上部の水平黒線) に電荷の分極が生じ、負 (緑) の電荷が手前側に引き寄せられ ([Y] 上部の四角が緑になる)、正 (赤) の電荷が向こう側 (ディスクの反対側、180 度離れた側) に蓄積されます ([Y1] 上部の四角が赤になる)。シャフトの分極電荷はディスク B の最も近いセクターに付着し、その結果、B [Y] の負電荷が A の元の正電荷に近づき、B [Y1] の正電荷が増加します。さらに 45° 回転すると ([Z] 下側のチェーンの中央付近)、A (下側のチェーン) の正 (赤) 電荷は、近づいてくる B ([Z] 上側のチェーン) の正 (赤) 電荷によって反発されます。最初に遭遇した収集コーム ([Z] 矢印の付いた線から三角形へ) により、両方の正 (赤) 電荷がセクターから中性 (四角が黒くなる) になり、ライデン瓶の陽極 (赤の三角形) に蓄積され、ライデン瓶の陰極 (緑の三角形) に引き寄せられます。スパーク (黄色のジグザグ) がライデン瓶 (赤と緑の三角形) を放電すると、ディスク全体の電荷サイクルが完了します。

B が時計回りに (左から右に) 90° 回転すると、B に誘導された電荷がディスク A の隣のブラシと一列に並びます [X、X1]。B の電荷は A ブラシのシャフトの反対の分極を誘導し、シャフトの分極がディスクに転送されます。ディスク B は回転を続け、その電荷は最も近い電荷収集コームによって蓄積されます。

ディスク A は 90° 回転し、その電荷がディスク B [Y、Y1] のブラシと一列に並びます。ここで、2 段落前の説明と同様に、B 導電シャフトと B の最も近いセクターに反対の電荷分極が誘導されます。

このプロセスは繰り返され、A の各電荷分極が B の分極を誘発し、A の分極を誘発する、というように続きます。隣接する吸引セクターの「影響」により、導電シャフトの有限の静電容量とバランスが取れるまで、指数関数的に大きな電荷が誘発されます。誘発された正電荷と負電荷はすべてコームによって収集され、コンデンサに似た電荷蓄積装置であるライデン瓶に充電されます。隣接するセクターの反対電荷を分離するために必要な機械的エネルギーが、電気出力のエネルギー源となります。

参照

参考文献

「静電発電機の歴史」。Hans-Peter 数学、技術、アルゴリズム、言語学、オムニウム、ギャザリング。
de Queiroz、Antonio Carlos M.、「Wimshurst 静電機械」
ワイスタイン、エリック W.、「ウィムズハーストマシン」。
ボサート、フランソワ、「ウィムズハーストマシン」。リセ・ルイ・クフィナル、ストラスブール。 (英語版)
シャリエ・ジャック「ラ・マシン・ド・ウィムズハースト」。ナント科学学部。

外部リンク

ウィムズハーストマシンのウェブサイト: ウィムズハーストマシンの写真とビデオクリップ
MIT のビデオによるウィムズハーストマシンのデモンストレーションと説明 (MIT TechTV 物理デモ)