La macchina di Wimshurst

Alta Tensione
Alta tensione
La Fisica dell’elettromagnetismo attraverso lo studio degli strumenti scientifici storici del Virgilio
La macchina di Wimshurst
Origine, classificazione
Struttura
Descrizione
1. Scopo
2. Input/Output
3. Processi
4. Controlli
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst – Da chi è stata concepita e quando
James Wimshurst (1832 - 1903)
Inventore, ingegnere e armatore britannico.
Dal 1878 sperimentò diversi tipi di generatori
elettrostatici, migliorando i modelli disponibili
all’epoca.
Nel 1883 realizzò lo strumento oggi noto come
Macchina di Wimshurst.
(https://it.m.wikipedia.org/wiki/James_Wimshurst)
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst - Classificazione
La macchina di Wimshurst è un generatore di tensione
continua.
Fa parte di una classe di generatori che sfruttano
l’induzione elettrostatica (influenzmachine).
La macchina è in grado di generare tensioni continue
dell’ordine di diverse decine di migliaia di Volt.
Le correnti che la macchina è in grado di erogare non
superano qualche frazione di milliAmpere.
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst - Struttura
La domanda in questo caso è:
Come è fatta questa macchina?
Più precisamente, il quesito può venire espresso così:
Quali componenti sono utilizzati per realizzare la
macchina, come sono disposti e interconnessi?
Ciascuna parte è un sotto-sistema su cui è possibile
ripetere il processo che stiamo eseguendo per l’intera
macchina.
[ Inoltre, ha anche senso chiedersi:
Come è stata costruita? Ossia, quali tecnologie sono
state impiegate per costruire la macchina? ]
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst - Struttura
La macchina di Wimshurst è composta di
- Due piastre circolari contro-rotanti di materiale
isolante, su cui sono inseriti dei settori di materiale
conduttore
- Due contatti elettrici che sfiorano i settori conduttori
su ambo le piastre, collegando settori opposti di
ciascuna piastra
- Due insiemi di punte che fronteggiano le due piastre
- Due bottiglie di Leida, ciascuna connessa con uno
degli insiemi di punte
- Due sfere per la generazione della scintilla
(spinterometro) connesse alle due bottiglie di Leida.
Le piastre circolari sono imperniate sullo stesso asse e
poste in moto, nei due diversi sensi di rotazione, da una
coppia di cinghie, avvolte in modo da generare la
contro-rotazione e azionate da un’unica manovella.
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst - Struttura
Macchina di Wimshurst – Struttura
fronte
Macchina di Wimshurst – Struttura
retro
Macchina di Wimshurst
Macchina di Wimshurst - Scopo
La macchina di Wimshurst ha come scopo la
generazione di tensione continua stabile a valori
(regolabili) dell’ordine di alcune decine di KiloVolt.
(generatore di raggi X di Beclere)
La tensione continua prodotto dalla macchina di
Wimshurst è stata impiegata per:
- Produzione di raggi catodici
- Produzione di raggi X
- Tentativi di terapia («Franklinization»)
- Altri impieghi di laboratorio
http://www.juanadelregatofoundation.org/publications/BiographiesHistoryObituariesEnglish/Radiological_Oncologists/Chapter%201.pdf
Macchina di Wimshurst - Scopo
La macchina di Wimshurst ha come scopo la
generazione di tensione continua stabile a valori
(regolabili) dell’ordine di alcune decine di KiloVolt.
(generatore di raggi X di Beclere)
La tensione continua prodotto dalla macchina di
Wimshurst è stata impiegata per:
- Produzione di raggi catodici
- Produzione di raggi X
- Tentativi di terapia («Franklinization»)
- Altri impieghi di laboratorio
http://archivio.paviauniversitypress.it/pdf‐oa/savini‐museo‐2012.pdf
Macchina di Wimshurst - Scopo
La macchina di Wimshurst ha come scopo la
generazione di tensione continua stabile a valori
(regolabili) dell’ordine di alcune decine di KiloVolt.
(generatore di raggi X di Beclere)
La tensione continua prodotto dalla macchina di
Wimshurst è stata impiegata per:
- Produzione di raggi catodici
- Produzione di raggi X
- Tentativi di terapia («Franklinization»)
- Altri impieghi di laboratorio
http://archivio.paviauniversitypress.it/pdf‐oa/savini‐museo‐2012.pdf
Macchina di Wimshurst – perché ?
I generatori disponibili sino all’epoca della
introduzione della macchina di Wimshurst non erano
in grado di erogare tensione continua ai valori e con la
stabilità che la macchina offre.
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst – Input / Output
Input
- Energia meccanica, introdotta nel sistema
dall’operatore azionando la manovella che, tramite le
cinghie, mette in rotazione le due piastre.
Output
- Energia elettrica, che può venire raccolta collegando
i capi di un circuito in corrente continua ai terminali
delle due bottiglie di Leida;
- Energia termica e meccanica associata alla scintilla
che può venire fatta scoccare tra le sferette dello
spinterometro.
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst – Processi
La macchina di Wimshurst prevede due processi
fondamentali:
- l’avviamento, durante il quale la macchina passa da
uno stato di neutralità e di assenza di movimento ad
uno stato in cui le piastre sono in movimento, i
settori vengono caricati elettricamente in funzione
della loro posizione relativa ai contatti e alle punte e
le bottiglie di Leida vengono caricate e raggiungono
la tensione che dà origine alla scarica elettrica;
- Il funzionamento a regime, in cui il moto delle
piastre e il profilo di carica dei settori è stabile
mentre le bottiglie di Leida alimentano di un flusso
costante di carica la scarica elettrica ai loro capi.
Come questi processi possano avvenire viene spiegato
nella sezione relativa al funzionamento.
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst – Controlli
I processi che avvengono nella macchina di Wimshurst
possono essere controllati attraverso due aspetti:
- La velocità di rotazione della manovella, che
determina la rapidità della fase di avviamento;
- La distanza tra le sferette dello spinterometro, che
determina il voltaggio massimo cui la macchina può
giungere.
di Ruhmkorff.
macchina di Wimshurst – principi di funzionamento
La macchina di Wimshurst appartiene alla categoria
delle macchine ad induzione (influenzmachine).
Il principio chiave del suo funzionamento è la induzione
elettrostatica.
In particolare, la macchina di Wimshurst impiega un
processo che fu introdotto da Volta attraverso un
dispositivo da lui inventato, l’elettroforo perpetuo.
Accanto a questo, vengono impiegati anche due altri
fenomeni fondamentali generali:
- Il cosiddetto potere delle punte, la capacità che
conduttori a punta hanno di strappare cariche ad un
corpo carico vicino. Questo fenomeno si basa sul
Teorema di Coulomb (1) ;
- La capacità di accumulare carica elettrica attraverso
l’impiego di condensatori, in particolare utilizzando
un semplice apparecchio chiamato bottiglia di Leida.
(1) l’intensità del campo elettrico in prossimità della superficie di un
conduttore è proporzionale alla densità superficiale di carica elettrica
di Ruhmkorff.
macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – induzione elettrostatica
di Ruhmkorff.
Induzione elettrostatica
macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – elettroforo perpetuo
di Ruhmkorff.
Elettroforo perpetuo
(1775)
macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – potere delle punte
Le cariche elettriche che si tovano su di un corpo
conduttore si dispongono sulla sua superficie.
All’equilibrio, la carica per unità di superficie del
conduttore (densità superficiale di carica) è uniforme.
Il campo elettrico presente sulla superficie del
conduttore è direttamente proporzionale alla densità
superficiale di carica elettrica (Teorema di Coulomb).
Nei pressi di superfici appuntite, dove la carica
presente nell’unità di volume è grande, il campo
elettrico può diventare molto intenso.
L’intensità del campo può raggiungere valori tali da
rimuovere cariche da corpi circostanti o dalla punta
conduttrice, a seconda del segno delle cariche.
Le punte di un corpo conduttore permettono perciò di
muovere cariche elettriche tra corpi diversi.
di Ruhmkorff.
Generatore a strofinio di Hauksbee (1710)
macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – potere delle punte
macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – bottiglia di Leida
di Ruhmkorff.
Bottiglia di Leida
(1746)
Funzionamento della macchina di Wimshurst
La domanda è:
Attraverso quali processi la macchina consegue il suo
scopo?
Ossia, come fa la macchina a produrre il risultato per
il cui raggiungimento è stata progettata e costruita
come ci appare?
Parte di questo quesito riguarda il come l’utilizzatore
deve operare per far sì che la macchina giunga al
risultato. Inoltre, quali sono le condizioni operative che
consentono alla macchina di funzionare (o ne
impediscono il funzionamento).
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst – schema di flusso della macchina
Alcuni conduttori vengono caricati elettricamente mediante un processo simile a quello dell’elettroforo perpetuo
di Ruhmkorff.
(Ciclo)
Un sistema di punte preleva la carica dai conduttori, che tornano neutri
La carica viene accumulata in alcune bottiglie di Leida
Funzionamento della macchina di Wimshurst
Nella macchina di Wimshurst, il funzionamento
prevede una sequenza di due fasi:
1. Avviamento
2. Ciclo vero e proprio
Il ciclo vero e proprio (fase 2) viene ripetuto
indefinitamente e conduce ad una scarica permanente
tra gli elettrodi (sferette dello spinterometro).
Per far funzionare la macchina occorre che l’operatore
agisca sulla manovella che produce il movimento dei
dischi.
Prima di operare si dovrebbe portare la macchina in
uno stato di neutralità elettrica scaricando i
condensatori (come?). Inoltre occorre impostare la
posizione dei bracci dello spinterometro (quale
posizione?).
di Ruhmkorff.
Macchina di Wimshurst – fasi di funzionamento (schema)
Per comprendere il funzionamento della macchina,
consideriamo un sistema schematizzato composto da
due coppie di piastre conduttrici.
(Possiamo immaginare le due coppie come due coppie
di settori sui dischi della macchina di Wimshurst. Nella
rappresentazione grafica a fianco i dischi sono visti di
profilo, nel seguito non verranno rappresentati).
Nel corso del processo verranno utilizzati inoltre:
- Due condensatori (bottiglie di Leida)
- Due piastre conduttrici aggiuntive
- Due barre conduttrici per cortocircuitare le piastre
disco
asse di rotazione
Processo step-by-step
Avviamento
Supponiamo che una delle piastre, ad esempio quella
che si trova in alto a sinistra, assuma una carica
positiva anche di valore molto piccolo.
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Ciclo
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Macchina di Wimshurst – Scheda descrittiva
di Ruhmkorff.
Capitoli
1. Origine e classificazione
2. Struttura
3. Descrizione
1.
2.
Scopo
Input / Output
3.
4.
Processi
Controlli
4. Principi di funzionamento
5. Modalità di funzionamento
Macchina di Wimshurst – Alcune grandezze essenziali
Rigidità dielettrica di alcuni materiali
aria secca
3 kV / mm
carta
3 kV / mm
vetro
25-100 kV / mm
porcellana
20-30 kV / mm
polietilene
200 kV / mm
SF6 (a 1 bar e 20°C)
6,4 kV / mm
SF6 (a 8 bar e 20°C)
50 kV / mm
di Ruhmkorff.
Acceleratori di particelle
Il tubo di Roentgen è un primo caso di acceleratore di
particelle.
Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati dal
campo elettrico associato alla differenza di potenziale
applicata agli elettrodi.
Gli elettroni così accelerati urtano contro del materiale
interposto sulla loro traiettoria.
Nell’urto gli elettroni perdono energia che viene
rilasciata sotto forma di raggi X.
Questo tipo di acceleratore è stato originariamente
alimentato con macchine a induzione quale quella di
Wimshurst.
Tubo di Roentgen
Alta Tensione
Alta tensione
La Fisica dell’elettromagnetismo attraverso lo studio degli strumenti scientifici storici del Virgilio