آلة ويمشورست

آلة ويمشورست أو آلة تأثير ويمشورست هي مولد كهرساكن قادر على توليد فولتيات عالية . وقد طُوِّرت بين عامي 1880 و1883 على يد المخترع البريطاني جيمس ويمشورست (1832-1903). ^{[ 1 ]}

يتميز بمظهر مميز مع قرصين كبيرين يدوران في اتجاهين متعاكسين مثبتين في مستوى رأسي، وقضيبين متقاطعين مع فرش معدنية، وفجوة شرارة تتكون من كرتين معدنيتين.

تنتمي هذه الآلات إلى فئة من المولدات الكهروستاتيكية تُسمى آلات التأثير ، والتي تفصل الشحنات الكهربائية عن طريق الحث الكهروستاتيكي ، أو التأثير ، دون الاعتماد على الاحتكاك في تشغيلها. وقد طُوّرت آلات سابقة من هذه الفئة على يد كل من فيلهلم هولتز (1865 و1867)، وأوغست توبلر (1865)، وج.  روبرت فوس (1880)، وغيرهم. تتميز الآلات القديمة بانخفاض كفاءتها وميلها غير المتوقع لتغيير قطبيتها، بينما لا تعاني آلة ويمشورست من أي من هذين العيبين.

في آلة ويمشورست، يدور القرصان المعزولان وقطاعاتهما المعدنية في اتجاهين متعاكسين، مارّين بقضبان معادلة الشحنات المعدنية المتقاطعة وفرشها. يتولد اختلال في توازن الشحنات، ثم يُضخّم ويُجمع بواسطة زوجين من الفرش أو الأمشاط المعدنية ذات النقاط الموضوعة بالقرب من سطح كل قرص. تُثبّت هذه المجمعات على دعامات عازلة وتُوصل بأطراف الإخراج. تعمل التغذية الراجعة الموجبة على زيادة الشحنات المتراكمة بشكل أُسّي حتى الوصول إلى جهد الانهيار العازل للهواء، فتقفز شرارة كهربائية عبر الفجوة.

نظريًا، لا تعمل الآلة ذاتيًا، بمعنى أنه إذا لم يكن لأي من قطاعات الأقراص شحنة كهربائية، فلن يكون هناك ما يحفز شحن القطاعات الأخرى. عمليًا، حتى شحنة متبقية صغيرة على أي قطاع تكفي لبدء العملية بمجرد بدء دوران الأقراص. تعمل الآلة بكفاءة فقط في جو جاف. تتطلب طاقة ميكانيكية لتدوير الأقراص عكس المجال الكهربائي، وهذه الطاقة هي التي تحولها الآلة إلى طاقة كهربائية للشرارة. يحدد عزل الآلة وحجمها أقصى جهد خرج يمكن الوصول إليه. يمكن زيادة طاقة الشرارة المتراكمة بإضافة زوج من مكثفات ليدن ، وهي نوع قديم من المكثفات مناسب للجهود العالية، حيث يتم توصيل الألواح الداخلية للمكثفات بشكل مستقل بكل طرف من أطراف الخرج، بينما يتم توصيل الألواح الخارجية للمكثفات ببعضها. يمكن لآلة ويمشورست النموذجية إنتاج شرارات يبلغ طولها حوالي ثلث قطر القرص، وبقوة تيار تصل إلى عشرات الميكروأمبيرات.

يحتوي القرصان العازلان المتعاكسان في الدوران على عدد زوجي من القطاعات المعدنية. يُزود الجهاز بأربع فرش صغيرة، اثنتان على كل جانب من الجهاز على قضبان التعادل، بالإضافة إلى زوج من فرش أو أمشاط تجميع الشحنة. تُثبت هذه الأدوات عادةً على طول المحور الأفقي وتلامس القطاعات الموجودة على كل من القرصين الأمامي والخلفي. وهي عادةً ما تكون متصلة بأجهزة لايدن الخاصة بها. تشكل قضبان التعادل، التي تربط القطاعات المتقابلة مؤقتًا، شكل حرف "X". يمكن تغيير زاوية هذه القضبان عادةً من 30 درجة إلى 60 درجة. من الضروري أن تكون زاوية قضبان التعادل بحيث تتصل القطاعات الموجودة على الأقراص بقضيب التعادل قبل الوصول إلى الوضع الرأسي. على سبيل المثال، إذا كان القرص يدور في اتجاه عقارب الساعة عند النظر إليه من الأمام، فيجب أن تكون زاوية قضيب التعادل من أعلى اليسار إلى أسفل اليمين.

يكفي وجود شحنة صغيرة على أي من القرصين لبدء عملية الشحن. لنفترض، إذن، أن بعض القطاعات على القرص الأمامي (السلسلة السفلية [A]) مشحونة بشحنة موجبة (باللون الأحمر)، وأن القرص الأمامي يدور عكس اتجاه عقارب الساعة (من اليمين إلى اليسار). عندما يدور القطاع المشحون (المربع الأحمر المتحرك) إلى موضع الفرشاة على قضيب التعادل الخلفي (رأس السهم السفلي [Y])، فإنه يُحدث استقطابًا للشحنة على قضيب التعادل (الخط الأسود الأفقي العلوي [Y-Y1])، جاذبًا شحنة سالبة (باللون الأخضر) إلى القطاع المقابل له مباشرةً (يصبح المربع العلوي [Y] أخضر)، وشحنة موجبة (باللون الأحمر) إلى القطاع المقابل له على القرص بزاوية 180 درجة (يصبح المربع العلوي [Y1] أحمر). عندما تصل هذه الشحنة الموجبة الأخيرة إلى موضع قضيب التعادل الأمامي ([X])، فإنها تُحدث شحنة سالبة على القطاع الموجود على القرص الأمامي (يصبح المربع السفلي [X] أخضر)، وفي الوقت نفسه تُحدث شحنة موجبة (باللون الأحمر) على القطاع الموجود على الجانب الآخر من القرص (يصبح [X1] أحمر). يتم جمع الشحنات الموجبة من كلا جانبي الأقراص عند [Z] و [Z] ويتم جمع الشحنات السالبة على الجانب الآخر من الأقراص (غير موضح في الرسم التخطيطي).

تتكرر العملية، حيث تحث كل شحنة على A شحنات على B، مما يؤدي إلى حث المزيد من الشحنات على A، وهكذا. مع ذلك، لن تُنتج هذه العملية وحدها الفولتيات العالية التي يتم الحصول عليها فعليًا، لأن الشحنة المستحثة على B ستكون بالضرورة أصغر من الشحنة التي حثتها على A. ويعود الارتفاع الأسي في الفولتية إلى حقيقة أن أي فولتية تظهر على أقطاب الآلة تُولد مجالًا كهربائيًا عبرها، مما يُسهم بشكل كبير في استقطاب قضبان التعادل. من البديهي أنه كلما زادت الفولتية عبر الأقطاب، زادت درجة الاستقطاب وزادت سرعة شحن الآلة. في النهاية، تُعد حلقة التغذية الراجعة الإيجابية هذه أكثر أهمية من عملية نقل الشحنة الموصوفة أعلاه، والتي تُستخدم فقط لبدء العملية. تُستمد الطاقة التي تُولدها الآلة من الشغل المبذول في فصل الشحنات على القطاعات عن الشحنات على قضبان التعادل المستقطبة عند انقطاع الاتصال.

يُحدَّد أقصى فرق جهد يمكن تحقيقه بشكل أساسي بالجهد الأقصى الذي يمكن الحفاظ عليه عبر قطاعات الأقراص بين قضبان التعادل (التي يكون جهدها دائمًا صفرًا) والأقطاب. وتكون هذه المسافة في أقصى حد لها عندما تكون قضبان التعادل أقرب ما يمكن إلى الوضع الرأسي. (بالطبع، إذا كانت القضبان رأسية بالفعل، فلن يستقطبها المجال الكهربائي، وستتوقف الآلة عن العمل).

استُخدمت آلات ويمشورست خلال القرن التاسع عشر في أبحاث الفيزياء. كما استُخدمت أحيانًا لتوليد جهد عالٍ لتشغيل أنابيب كروكس للأشعة السينية من الجيل الأول خلال العقدين الأولين من القرن العشرين، على الرغم من أن آلات هولتز وملفات الحث كانت أكثر شيوعًا. أما اليوم، فتُستخدم هذه الآلات فقط في متاحف العلوم والمؤسسات التعليمية لشرح مبادئ الكهرباء الساكنة.

• قطارة الماء كلفن - نوع من مولدات الكهرباء الساكنة 
• بيليترون - نوع من المولدات الكهروستاتيكية 
• ملف تسلا – دائرة محول رنين كهربائي اخترعها نيكولا تسلا 
• مولد فان دي غراف – مولد كهرساكن يعمل على التأثير الكهروستاتيكي 

• موقع آلة ويمشورست الإلكتروني: صور ومقاطع فيديو لآلة ويمشورست
• عرض توضيحي وشرح بالفيديو لآلة ويمشورست من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (عرض توضيحي فيزيائي من MIT TechTV)