MACCHINA WIMSHURST: STORIA, COME FUNZIONA E APPLICAZIONI - FISICO - 2025

La macchina Wimshurst è un generatore elettrostatico ad alto voltaggio e basso amperaggio, in grado di produrre elettricità statica per separazione delle cariche, grazie al giro di una manovella. D'altra parte, i generatori attualmente utilizzati come batterie, alternatori e dinamo sono piuttosto fonti di forza elettromotrice, che provocano movimenti di cariche in un circuito chiuso.

La macchina Wimshurst fu sviluppata dall'ingegnere e inventore britannico James Wimshurst (1832-1903) tra il 1880 e il 1883, migliorando le versioni dei generatori elettrostatici proposti da altri inventori.

Macchina di Wimshurst. Fonte: Andy Dingley (scanner)

Si distingue dalle precedenti macchine elettrostatiche per il suo funzionamento affidabile e riproducibile e la costruzione semplice, essendo in grado di generare una differenza di potenziale sbalorditiva compresa tra 90.000 e 100.000 volt.

Parti di macchine Wimshurst

La base della macchina sono i due caratteristici dischi di materiale isolante, con sottili lamine metalliche attaccate e disposte a forma di settori radiali.

Ogni settore metallico ne ha un altro diametralmente opposto e simmetrico. I dischi hanno solitamente un diametro compreso tra 30 e 40 cm, ma possono anche essere molto più grandi.

Entrambi i dischi sono montati su un piano verticale e sono separati da una distanza compresa tra 1 e 5 mm. È importante che i dischi non si tocchino mai durante la rotazione. I dischi vengono ruotati in direzioni opposte per mezzo di un meccanismo a puleggia.

La macchina Wimshurst ha due barre metalliche parallele al piano di rotazione di ogni disco: una verso l'esterno del primo disco e l'altra verso l'esterno del secondo disco. Queste barre si intersecano ad angolo l'una rispetto all'altra.

Le estremità di ciascuna barra hanno spazzole metalliche che entrano in contatto con settori metallici opposti su ciascun disco. Sono conosciute come barre neutralizzanti, per una buona ragione che verrà discussa a breve.

Le spazzole mantengono in contatto elettrico (metallico) il settore del disco che tocca un'estremità della barra, con il settore diametralmente opposto. La stessa cosa accade sull'altro album.

L'effetto triboelettrico

Le spazzole e i settori del disco sono in metalli diversi, quasi sempre rame o bronzo, mentre le lame dei dischi sono in alluminio.

Il fugace contatto tra loro durante la rotazione dei dischi e la successiva separazione, crea la possibilità di scambiare cariche per adesione. Questo è l'effetto triboelettrico, che può verificarsi anche tra un pezzo di ambra e un panno di lana, ad esempio.

Alla macchina vengono aggiunti un paio di collettori metallici a forma di U (pettini) con punte o punte metalliche, situati in posizioni opposte.

I settori di entrambi i dischi passano attraverso la parte interna del raccoglitore U senza toccarlo. I collettori sono montati su una base isolante e sono a loro volta collegati ad altre due barre metalliche terminanti in sfere, vicine ma non a contatto.

Quando l'energia meccanica viene fornita alla macchina tramite la manovella, l'attrito delle spazzole produce l'effetto triboelettrico che separa le cariche, dopodiché gli elettroni già separati vengono catturati dai collettori e immagazzinati in due dispositivi chiamati bottiglie di Leyden.

La bottiglia o caraffa di Leida è un condensatore con montature cilindriche in metallo. Ogni bottiglia è collegata all'altra dalla piastra centrale, formando due condensatori in serie.

La rotazione della manovella produce una differenza di potenziale elettrico tra le sfere così elevata che l'aria tra di loro si ionizza e una scintilla salta. Il dispositivo completo può essere visto nell'immagine sopra.

Nella macchina di Wimshurst, l'elettricità esce dalla materia, che è composta da atomi. E questi a loro volta sono costituiti da cariche elettriche: elettroni negativi e protoni positivi.

Nell'atomo i protoni caricati positivamente sono imballati nel centro o nucleo e gli elettroni caricati negativamente attorno al suo nucleo.

Quando un materiale perde alcuni dei suoi elettroni più esterni, si carica positivamente. Al contrario, se catturi alcuni elettroni, ottieni una carica netta negativa. Quando il numero di protoni ed elettroni è uguale, il materiale è neutro.

Nei materiali isolanti, gli elettroni rimangono intorno ai loro nuclei senza la capacità di allontanarsi troppo. Ma nei metalli i nuclei sono così vicini tra loro che gli elettroni più esterni (o valenza) possono saltare da un atomo all'altro, muovendosi attraverso il materiale conduttivo.

Se un oggetto caricato negativamente si avvicina a una delle facce di una piastra metallica, gli elettroni del metallo si allontanano per repulsione elettrostatica, in questo caso verso la faccia opposta. Si dice che la placca si sia polarizzata.

Ora, se questa piastra polarizzata è collegata da un conduttore (barre neutralizzanti) sul suo lato negativo a un'altra piastra, gli elettroni si sposterebbero su questa seconda piastra. Se la connessione viene interrotta improvvisamente, la seconda piastra viene caricata negativamente.

Ciclo di carico e conservazione

Affinché la macchina Wimshurst si avvii, uno dei settori metallici sul disco deve avere uno squilibrio di carico. Questo avviene naturalmente e frequentemente, soprattutto quando c'è poca umidità.

Quando i dischi iniziano a girare, ci sarà un momento in cui un settore neutro del disco opposto si oppone al settore caricato. Ciò induce su di esso una carica di uguale grandezza e direzione opposta grazie alle spazzole, poiché gli elettroni si allontanano o si avvicinano, secondo il segno del settore rivolto.

Schema della macchina di Wimshurst. Fonte: RobertKuhlmann

I raccoglitori a forma di U hanno il compito di raccogliere la carica quando i dischi si respingono perché caricati di cariche dello stesso segno, come mostrato in figura, e immagazzinano detta carica nelle bottiglie di Leida ad essi collegate.

Per ottenere ciò, la parte interna della U sporge punte a pettine dirette verso le facce esterne di ciascun disco, ma senza toccarle. L'idea è che la carica positiva si concentri sulle punte, in modo che gli elettroni espulsi dai settori vengano attratti e si accumulino nella piastra centrale delle bottiglie.

In questo modo il settore rivolto verso il collettore perde tutti i suoi elettroni e rimane neutro, mentre la piastra centrale della Leida si carica negativamente.

Nel collettore opposto avviene il contrario, il collettore consegna elettroni alla piastra positiva che lo fronteggia fino a quando non viene neutralizzato e il processo viene ripetuto continuamente.

Applicazioni ed esperimenti

L'applicazione principale della macchina Wimshurst è ottenere elettricità da ogni segno. Ma ha lo svantaggio di fornire una tensione piuttosto irregolare, poiché dipende dall'azionamento meccanico.

L'angolo delle barre del neutralizzatore può essere variato per impostare una corrente di uscita elevata o una tensione di uscita elevata. Se i neutralizzatori sono lontani dai collettori, la macchina eroga alta tensione (fino a oltre 100 kV).

Se invece sono vicini ai collettori, la tensione di uscita diminuisce e la corrente di uscita aumenta, e possono raggiungere fino a 10 microampere alle normali velocità di rotazione.

Quando la carica accumulata raggiunge un valore sufficientemente alto, viene prodotto un campo elettrico elevato nelle sfere collegate alle placche centrali della Leida.

Questo campo ionizza l'aria e produce la scintilla, scaricando le bottiglie e dando luogo ad un nuovo ciclo di carica.

Esperimento 1

Gli effetti del campo elettrostatico possono essere apprezzati ponendo un foglio di cartone tra le sfere e osservando che le scintille forano in esso.

Esperimento 2

Per questo esperimento avrai bisogno di: un pendolo composto da una pallina da ping pong ricoperta da un foglio di alluminio e due fogli di metallo a forma di L.

La pallina viene appesa al centro dei due teli tramite un filo isolante. Ogni foglio è collegato agli elettrodi della macchina Wimshurst tramite cavi con morsetti.

Quando la manovella viene ruotata, la sfera inizialmente neutra oscillerà tra le lame. Uno di loro avrà un eccesso di carica negativa che cederà alla palla, che sarà attratta dal foglio positivo.

La pallina depositerà i suoi elettroni in eccesso su questo foglio, verrà brevemente neutralizzata e il ciclo si ripeterà finché la manovella continua a girare.

Riferimenti

1. De Queiroz, A. Macchine elettrostatiche. Estratto da: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Principi di applicazione elettrostatica. Recupero da: orbus.be