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Alta tensione

La Fisica dell’elettromagnetismo attraverso lo studio degli strumenti scientifici storici del Virgilio

Alta Tensione

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

di Ruhmkorff.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)

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.


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 – Strutturafronte

Macchina di Wimshurst – Strutturaretro

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.

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

(generatore di raggi X di Beclere)

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.

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

(generatore di raggi X di Beclere)

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 Wimshurstpossono 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

di Ruhmkorff.

macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – elettroforo perpetuo

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.

macchina di Wimshurst – principi di funzionamento – potere delle punteGeneratore a strofinio di Hauksbee (1710)

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

di Ruhmkorff.Alcuni conduttori vengono caricati elettricamente mediante un processo simile a quello dell’elettroforo perpetuo

Un sistema di punte preleva la carica dai conduttori, che tornano neutri

La carica viene accumulata in alcune bottiglie di Leida

(Ciclo)

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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Avviamento

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Avviamento

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Avviamento

Avviamento

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1

2

Avviamento

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Avviamento

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Avviamento

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Ciclo – prima parte

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2

1


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2

1


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Ciclo – seconda parte

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1

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Processo completo

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1

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1

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1

2

Avviamento Ciclo

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Macchina di Wimshurst – Scheda descrittiva

Capitoli

1. Origine e classificazione

2. Struttura

3. Descrizione1. Scopo2. Input / Output3. Processi4. Controlli

4. Principi di funzionamento

5. Modalità di funzionamento

di Ruhmkorff.

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

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