Alti voltaggi dovuti ad elettricità statica sono particolarmente apprezzabili con questo ingegnosissimo strumento che fu inventato da J. Wimshurst in Inghilterra nel 1882. In molti libri di fisica si possono trovare immagini e principi di funzionamento di questa macchina che può essere facilmente realizzata da qualunque appassionato con poco materiale

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

COSTRUIRE UN SEMPLICE WIMSHURST

Di seguito riporto le istruzioni per costruire una macchina come la mia, di cui consiglio di mantenere un'immagine a portata di mano per comprendere meglio quanto segue.

Per cominciare servono due dischi plastici, buonissimi isolanti elettrici come ad esempio due dischi musicali in polivinile. Lo spessore può essere da 1 a 3 mm ed il diametro dai 20 ai 40cm (per osservare dei buoni effetti elettrostatici finali occorrono dischi grandi). Io ho usato due dischi di plexiglas di diametro 32 cm e spessore 2 mm. Non usare i CD ROM in quanto lo strato di smalto per l'incisione ottica ha una conducibilità tale da non rendere possibile questo tipo di applicazione. Ho realizzato un piccolo Wimshurst con i CD, ma solo dopo aver rimosso con diluente e carta vetrata lo strato ottico. Anche il vetro potrebbe avere dei problemi, dipende dalla qualità e dal tipo perciò io consiglio fortemente di usare il plexiglas. I due dischi devono essere bucati al centro esatto con foro tale da permettere ad un asse metallico di ruotare all'interno. Effettuare il foro, ad esempio, con diametro da 5mm e procurarsi un cilindro in acciaio lungo 8-10 cm che servirà come asse. Sulle superfici esterne (su cui saranno assemblate le pulegge) dei dischi vanno incollate una serie di settori metallici sottili che possono essere di forma rettangolare, o per i più pazienti, di forma trapezoidale con angoli smussati. Questi settori larghi almeno 1cm devono essere in numero pari per ciascun disco in modo da avere i cosiddetti settori opposti, fondamentali per il funzionamento della macchina. La spaziatura tra i settori dovrebbe essere circa i cm. La somma degli spazi presenti tra i settori compresi tra un elettrodo raccoglitore di cariche e la barra di neutralizzazione (dei settori opposti) più vicina, determina la massima lunghezza della scarica elettrica ottenibile con la macchina. La forma trapezoidale implica che la distanza tra i settori sia la stessa lungo il bordo dei settori stessi (ottimizzazione). Ho provato ad usare la carta stagnola da cucina, ma si è presto consumata a forza di sfregare con le spazzole dei neutralizzatori per questo ho cercato qualcosa di più robusto come ad esempio la carta di alluminio ramata spesso utilizzata per piccole opere artistiche dai bambini dell'asilo e delle elementari. Si trova facilmente in cartoleria. Evitare di lasciare angoli vivi nei settori per non perdere le cariche per via dell'effetto punta. Per incollare i settori ho prima disegnato con una matita uno schizzo sui dischi, dopodiché ho incollato uno per volta i settori utilizzando colle tipo stick per carta. Posso serenamente consigliare questa colla poiché ne ho provate tante altre prima con risultati scadenti. Questa colla è, infatti, facilmente rimovibile con dell'acqua, quindi dopo aver incollato i settori si può procedere con una buona pulizia delle sbavature. Incollare (avvitare) su entrambi i dischi, in corrispondenza dei fori, le pulegge che serviranno per dare movimento tramite le cinghie. Ciascuna di queste pulegge può essere prodotta a partire da un semplice cilindro di ottone o alluminio o plexiglas di base 2-4 cm e altezza 1,5-3 cm opportunamente lavorato al tornio per la realizzazione di una scanalatura necessaria come guida per la cinghia. Le pulegge devono chiaramente essere forate come i dischi per permettere all'asse di ruotare all'interno. Mi raccomando di realizzare con estrema precisione le pulegge per evitare inefficaci sfarfallamenti dei dischi durante la rotazione. Ho incollato le pulegge con una resina epossidica a lento indurimento in modo da poter aggiustare con esattezza la posizione delle stesse sui dischi. I dischi ruoteranno in direzioni opposte attorno all'asse metallico e saranno separati di qualche mm per evitare di sfregare tra loro. Per fare questo è sufficiente inserire tra i dischi una rondella metallica o di teflon. Realizzare una base solida di dimensioni 42cm x 12cm x 2cm circa sulla quale sistemare (avvitare per esempio utilizzando una "zeppetta" sulla base) due supporti laterali per i dischi distanti tanto quanto basta per inserire in mezzo il blocco dei dischi con le relative pulegge (5-6cm circa). Ogni supporto è costituito da un listello di plexiglas di dimensioni 6cm x 25cm x 1cm circa. Sui supporti laterali occorre praticare, nella parte alta, i fori per l'asse metallico dei dischi mentre a 4 o 5 cm dalla base praticare i fori per l'asse delle "pulegge di trazione" che serviranno a trasmettere il movimento ai dischi superiori tramite due cinghie. Il sistema di trazione è realizzato con due pulegge di diametro sui 5-6cm, forate al centro con fori da 5mm nei quali inserire un altro albero lungo sui 12-14cm che sarà collegato ad una manovella. La distanza tra le pulegge di trazione deve essere tale da fare corrispondere, in linea verticale, le guide per le cinghie con le guide delle rispettive pulegge dei dischi. Una volta sistemate le due pulegge, incollarle all'albero sul quale sarà applicata una manovella. Procurarsi due cinghie di sezione circolare che permettano il collegamento meccanico tra le pulegge trainanti e le pulegge dei dischi. Una delle due cinghie deve essere "incrociata" per dare il movimento ai dischi in modo che questi girino in sensi opposti. Applicare sui supporti laterali le barre neutralizzatrici. Queste sono costituite da un filo rigido di diametro 24mm con gli estremi terminati dalle spazzole per la realizzazione del contatto tra i settori opposti corrispondenti alle barre neutralizzatrici. Queste sono applicate sui due supporti laterali in modo da formare angoli di 30-40 gradi circa con la verticale e cioè 60-80 gradi tra loro. Il centro di ciascuna barra può coincidere con l'asse dei dischi, può toccare o meno il perno, non importa (si chiamano barre neutre apposta). Ciò che conta è che realizzino il contatto dei settori opposti. Io, dopo aver tagliato il cilindro in acciaio in modo che non sporgesse dalla struttura, ho avvitato su ciascun supporto laterale un cubetto di plexiglas opportunamente forato per fissarci le barre con le giuste inclinazioni. Le spazzole sono composte da semplici fili sottili di rame fissati con scotch (piuttosto grezzo), o come ho fatto nella mia costruzione, con una guaina di gomma (cilindretto vuoto elastico) posta intorno alla parte finale di ciascuna barra che consente anche facili ricambi delle spazzole stesse. I fili costituenti le spazzole sono interposti tra cilindretto e barra. Il Wimshurst a questo punto è già realizzato. Facendo girare i dischi agendo sulla manovella, questi girano in sensi opposti. Se i contatti delle barre neutre sono efficaci, allora si potrebbe notare la carica dei settori solo dopo pochi giri (dipendentemente dall'umidità dell'aria e se si gira la manovella nel verso giusto). Si può, infatti, sentire l'odore dell'ozono prodotto dalle continue scariche inevitabili tra i settori. Inoltre si può avvertire un aumento della difficoltà nel ruotare i dischi dovuto al lavoro che bisogna compiere contro i campi elettrici instauratesi tra i settori (è fantastico sentire questa forza aumentare durante la carica della macchina stessa). A questo punto occorre raccogliere le cariche prodotte e soprattutto occorre costruire uno spinterometro a sfere per vedere e sentire gli effetti della macchina. Dunque per completare la macchina occorre costruire i collettori per la raccolta della carica. I dischi si caricano a polarità opposte in corrispondenza dei punti in cui sono applicati i collettori. Questi sono realizzabili con lo stesso filo delle barre neutre, modellati in modo da formare una U tale da sfiorare i settori da entrambi i lati dei dischi, senza toccarli. A toccare i settori ci pensano altre spazzole poste sui collettori. Per catturare le cariche si può anche evitare il contatto tra queste spazzole ed i settori carichi, infatti, sfruttando l'effetto delle punte, sarebbe sufficiente che i fili costituenti le spazzole sfiorassero gli elementi carichi. Le cariche raccolte possono essere inviate direttamente allo spinterometro, ma per poter vedere effetti più spettacolari è il caso di utilizzare dei cumulatori di carica, che raggiunto il potenziale sufficiente, fanno si che tutta l'energia cumulata si scarichi all'improvviso producendo altrettanta energia sotto forma di luce e calore. Questi condensatori possono essere realizzati, per rimanere in tema, con le bottiglie di Leyda, ossia semplici cilindri vuoti ed isolanti ricoperti sulle pareti da fogli di carta conduttiva (es. carta da cucina di alluminio). Io ho utilizzato come condensatori due bottiglie per liquido di pulizia per lenti ottiche avvitate alla base della macchina. Ho innanzi tutto tagliato la parte superiore per porre la carta stagnola all'interno e dopo aver ripristinato la bottiglietta con colla e nastro isolante, ho ricoperto la superficie esterna. Questo tipo di condensatori mi sono tornati comodi come supporti degli stessi elettrodi raccoglitori delle cariche. Questi ultimi, infatti, sono saldati ad un filo rigido verticale che si sostiene in quanto inserito all'interno della bottiglia. La strozzatura superiore della stessa rende il tutto sufficientemente stabile dal punto di vista meccanico. Il contatto dell'elettrodo con la superficie interna del condensatore è garantito dall'appoggio del filo rigido con un volume di carta stagnola posto di proposito all'interno della bottiglia in modo da toccare le pareti. Si può sostituire questo volume di carta con una spugna metallica da cucina. Le superfici esterne delle due bottiglie di Leyda sono da collegare con un filo rigido ben smussato e levigato. Realizzare per esempio dei gancetti metallici a contatto con le superfici esterne dei condensatori per rendere veloce il collegamento (o meno) dei due condensatori. Se le due superfici esterne sono messe a contatto, i due condensatori risultano in serie e si potrà cumulare una certa quantità di carica. Se si desidera cumulare più carica è sufficiente collegare i condensatori in parallelo e questo richiede un sistema di due fili rigidi (non visualizzati nella foto). Per osservare gli effetti di questo cumulo di cariche è necessario costruirsi uno spinterometro. Nel caso in figura ho forato la parte superiore di entrambi i raccoglitori di carica per potervi inserire due fili rigidi opportunamente piegati collegati elettricamente a due sfere terminali. Ciascun filo presenta dunque una sfera attaccata su un terminale. Se usate sfere dei cuscinetti meccanici, è difficile forarle per inserirvi il filo, per questo conviene incollarle, dopodiché si può utilizzare uno smalto conduttivo per realizzare il contatto elettrico. Lo smalto all'argento costa caro (15-20.000 £1 cc) in relazione alla quantità, ma una confezione piccola basta per costruire almeno 1000 spinterometri. Una volta realizzato lo spinterometro si possono finalmente osservare le scariche elettriche tanto desiderate. il mio primo spinterometro è dotato di sfere di 8mm di diametro e mi ha permesso di osservare scariche di 2 o 3 cm. In base a quanto detto in precedenza sulla lunghezza ottenibile di dette scariche in relazione alla disposizione dei settori conduttivi dei dischi, mi sarei aspettato scariche dell'ordine di 5-6 cm. Presto fatto con l'aggiunta di due ulteriori sfere di diametro 1-2 mm sulle sfere da 8mm. Non è necessario realizzare il contatto elettrico, anzi evitatelo. Le sfere piccole creano un campo elettrico molto forte vicino a loro, ed in particolare quella del polo negativo facilita l'emissione di elettroni che ionizzando l'aria adiacente la sferetta ed adiacente anche alla sfera da 8mm, fa si che quest'ultima sia in grado di dare inizio alla scarica. In particolari giornate secche ho misurato scariche di 8 cm. Buon divertimento!