MESIN WIMSHURST: SEJARAH, CARA KERJANYA DAN APLIKASI - FISIK - 2025

The Mesin Wimshurst adalah tegangan tinggi, rendah ampere Generator elektrostatik, mampu menghasilkan listrik statis dengan pemisahan biaya, berkat pergantian engkol. Di sisi lain, generator yang digunakan saat ini seperti baterai, alternator, dan dinamo lebih merupakan sumber gaya gerak listrik, menyebabkan pergerakan muatan dalam sirkuit tertutup.

Mesin Wimshurst dikembangkan oleh insinyur dan penemu Inggris James Wimshurst (1832-1903) antara tahun 1880 dan 1883, meningkatkan versi generator elektrostatis yang diusulkan oleh penemu lain.

Mesin Wimshurst. Sumber: Andy Dingley (pemindai)

Ini menonjol di atas mesin elektrostatis sebelumnya karena pengoperasiannya yang andal, dapat direproduksi dan konstruksi sederhana, yang mampu menghasilkan perbedaan potensial yang mengejutkan antara 90.000 dan 100.000 volt.

Suku cadang mesin Wimshurst

Basis mesin adalah dua cakram bahan isolasi karakteristik, dengan lembaran logam tipis terpasang dan disusun dalam bentuk sektor radial.

Setiap sektor logam memiliki satu lagi yang berseberangan secara diametris dan simetris. Diameter cakram biasanya antara 30 dan 40 cm, tetapi bisa juga jauh lebih besar.

Kedua cakram dipasang pada bidang vertikal dan dipisahkan dengan jarak antara 1 hingga 5 mm. Penting agar disk tidak bersentuhan selama pemintalan. Cakram diputar berlawanan arah melalui mekanisme katrol.

Mesin Wimshurst memiliki dua batang logam yang sejajar dengan bidang rotasi setiap cakram: satu ke arah luar cakram pertama dan yang lainnya ke arah luar cakram kedua. Batang-batang ini berpotongan pada suatu sudut terhadap satu sama lain.

Ujung setiap batang memiliki sikat logam yang bersentuhan dengan sektor logam yang berlawanan pada setiap cakram. Mereka dikenal sebagai batang penetral, untuk alasan bagus yang akan dibahas sebentar lagi.

Sikat menjaga elektrik (metalik) menghubungi sektor cakram yang menyentuh salah satu ujung palang, dengan sektor berlawanan arah. Hal yang sama terjadi di album lainnya.

Efek tribolistrik

Sikat dan sektor cakram terbuat dari logam yang berbeda, hampir selalu tembaga atau perunggu, sedangkan bilah cakram terbuat dari aluminium.

Kontak sekilas di antara mereka saat cakram berputar dan pemisahan selanjutnya, menciptakan kemungkinan pertukaran muatan melalui adhesi. Ini adalah efek tribolistrik, yang juga dapat terjadi antara sepotong amber dan kain wol, misalnya.

Sepasang kolektor logam berbentuk U (sisir) ditambahkan ke mesin dengan penghentian lonjakan atau duri logam, yang terletak di posisi berlawanan.

Sektor kedua cakram melewati bagian internal kolektor U tanpa menyentuhnya. Kolektor dipasang pada alas isolasi dan pada gilirannya dihubungkan ke dua batang logam lain yang berakhir pada bola, dekat tetapi tidak menyentuh keduanya.

Ketika energi mekanik disuplai ke mesin melalui engkol, gesekan sikat menghasilkan efek triboelektrik yang memisahkan muatan, setelah itu elektron yang sudah terpisah ditangkap oleh kolektor dan disimpan dalam dua perangkat yang disebut botol. Leyden.

Botol atau kendi Leyden adalah kondensor dengan rangka logam silinder. Setiap botol dihubungkan satu sama lain oleh pelat pusat, membentuk dua kapasitor secara seri.

Memutar engkol menghasilkan perbedaan potensial listrik yang tinggi antara bola-bola sehingga udara di antara bola-bola itu terionisasi dan percikan api melonjak. Perangkat lengkapnya dapat dilihat pada gambar di atas.

Dalam mesin Wimshurst, listrik keluar dari materi, yang terdiri dari atom. Dan ini pada gilirannya terdiri dari muatan listrik: elektron negatif dan proton positif.

Dalam atom, proton bermuatan positif dikemas di pusat atau inti dan elektron bermuatan negatif di sekitar nukleusnya.

Ketika suatu materi kehilangan beberapa elektron terluarnya, ia menjadi bermuatan positif. Sebaliknya, jika Anda menangkap beberapa elektron, Anda mendapatkan muatan negatif bersih. Ketika jumlah proton dan elektronnya sama, materialnya netral.

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

Jika benda bermuatan negatif mendekati salah satu permukaan pelat logam, elektron-elektron logam tersebut akan menjauh dengan tolakan elektrostatis, dalam hal ini ke permukaan yang berlawanan. Pelat tersebut kemudian dikatakan telah terpolarisasi.

Sekarang, jika pelat terpolarisasi ini dihubungkan dengan konduktor (batang penetral) di sisi negatifnya ke pelat lain, elektron akan pindah ke pelat kedua ini. Jika koneksi tiba-tiba terputus, pelat kedua bermuatan negatif.

Siklus beban dan penyimpanan

Agar mesin Wimshurst bisa boot, salah satu sektor logam pada disk harus mengalami ketidakseimbangan beban. Ini terjadi secara alami dan sering, terutama jika kelembapan sedikit.

Ketika disc mulai berputar, akan ada saat ketika sektor netral dari disc berlawanan melawan sektor yang dibebani. Ini menginduksi padanya muatan dengan besaran yang sama dan arah berlawanan berkat sikat, karena elektron bergerak menjauh atau lebih dekat, sesuai dengan tanda sektor yang saling berhadapan.

Skema mesin Wimshurst. Sumber: RobertKuhlmann

Kolektor berbentuk U bertanggung jawab untuk mengumpulkan muatan saat cakram saling tolak karena muatannya bertanda sama, seperti yang ditunjukkan pada gambar, dan menyimpan muatan tersebut dalam botol Leyden yang terhubung dengannya.

Untuk mencapai hal ini, bagian dalam U menonjol seperti puncak sisir yang diarahkan ke bagian luar setiap cakram, tetapi tanpa menyentuhnya. Idenya adalah bahwa muatan positif terkonsentrasi di ujung, sehingga elektron yang dikeluarkan dari sektor tertarik dan terakumulasi di pelat pusat botol.

Dengan cara ini sektor yang menghadap kolektor kehilangan semua elektronnya dan tetap netral, sedangkan pelat pusat Leyden bermuatan negatif.

Pada kolektor yang berlawanan terjadi sebaliknya, kolektor mengirimkan elektron ke pelat positif yang menghadapinya sampai dinetralkan dan prosesnya berulang terus menerus.

Aplikasi dan eksperimen

Aplikasi utama mesin Wimshurst adalah mendapatkan listrik dari setiap rambu. Tetapi memiliki kelemahan bahwa ia memasok tegangan yang agak tidak teratur, karena tergantung pada penggerak mekanis.

Sudut batang penetral dapat divariasikan untuk mengatur arus keluaran tinggi atau tegangan keluaran tinggi. Jika penetral jauh dari kolektor, mesin memberikan tegangan tinggi (hingga lebih dari 100 kV).

Di sisi lain, jika mereka dekat dengan kolektor, tegangan keluaran menurun dan arus keluaran meningkat, dan dapat mencapai hingga 10 mikroampere pada kecepatan putaran normal.

Ketika muatan yang terakumulasi mencapai nilai yang cukup tinggi maka medan listrik yang tinggi dihasilkan di bola yang terhubung ke pelat pusat Leyden.

Bidang ini mengionisasi udara dan menghasilkan percikan api, membuang botol dan menimbulkan siklus pengisian baru.

Eksperimen 1

Efek medan elektrostatis dapat diapresiasi dengan menempatkan selembar karton di antara bola dan mengamati bahwa percikan membuat lubang di dalamnya.

Eksperimen 2

Untuk percobaan ini Anda membutuhkan: sebuah pendulum yang terbuat dari bola pingpong yang dilapisi dengan aluminium foil dan dua lembaran logam berbentuk L.

Bola digantung di tengah dua lembar dengan menggunakan kawat isolasi. Setiap lembar dihubungkan ke elektroda mesin Wimshurst dengan kabel dengan penjepit.

Saat engkol diputar, bola netral awalnya akan berosilasi di antara bilahnya. Salah satunya akan memiliki muatan negatif berlebih yang akan menghasilkan bola, yang akan ditarik oleh lembaran positif.

Bola akan menyimpan kelebihan elektronnya pada lembaran ini, bola akan dinetralkan sebentar dan siklus akan berulang selama engkol terus berputar.

Referensi

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