0023. Cosa è la macchina di Wimshurst?

 Gradirei conoscere la corretta spiegazione di come funziona la macchina elettrostatica di Whinshurt. Perché la macchina non funziona quando la manovella che pone in rotazione i dischi gira nel verso antiorario?(Pierluigi Archimedi)

La macchina elettrostatica di Wimshurst è un dispositivo ad induzione inventato dall’omonimo scienziato nel 1882 in Inghilterra. Con tale generatore si è in grado di produrre delle scintille tra due elettrodi costituiti da bacchette o da sfere collegati a due armature di un condensatore. Si verifica in pratica una scarica dello stesso tramite formazione di arco la cui dimensione ed il cui tempo di vita dipendono dalla carica immagazzinata e dalla distanza a cui sono posti gli elettrodi. Oltre all’interesse che tale invenzione ha nell’ambito della fisica, nella quale orbita si va a collocare, è stato possibile adattarne i risultati alla medicina sperimentale, come l'elettroterapia nel XIX secolo. Agli inizi del XX secolo un dispositivo elettrostatico del genere si sarebbe potuto impiegare per produrre i raggi X [160], poi scoperti nel 1895 da Röntgen .

La macchina elettrostatica di Wimshurst è costituita da due dischi (con spessore da 1 a 3 mm e diametro dai 20 ai 40 cm, più sono grandi le dimensioni più l’effetto elettrostatico è pronunciato) realizzati in vetro o soprattutto in materiale plastico, ottimo come isolante elettrico. Tali dischi sono montati su un supporto in modo coassiale e a breve distanza tra loro, se azionati mediante manovella o motore elettrico ruotano in opposte direzioni grazie all’ausilio di pulegge o ruote dentate. Sulle superfici esterne di entrambi i dischi è presente una serie di settori metallici sottili di forma rettangolare in numero pari per ciascun di essi in modo da avere i cosiddetti settori opposti, indispensabili per il funzionamento della macchina. Su dei supporti sono poste dalle spazzole dai crini metallici, chiamate barre neutralizzatici, necessarie per la realizzazione di contatti striscianti tra i settori opposti. Come detto poc’anzi, azionando la manovella mediante pulegge, i due dischi ruotano in antefase e, sfregando contro le spazzole, immagazzinano sulle loro superfici delle cariche di opposta polarità. Ogni volta che un settore entra in contatto con una spazzola, la sua carica cambia da positiva a negativa o viceversa, il risultato è che i settori si caricano positivamente su una metà del disco e negativamente sull’altra. La carica statica sulle spazzole viene raccolta da collettori ed impiegata per polarizzare le armature di un condensatore. Si riesce a creare una corrente di qualche decina di microampere. Collegando alle due armature uno spinterometro , costituito da due elettrodi in genere di forma sferica, si riesce a provocare delle scariche elettriche. Le sfere infatti creano un forte campo elettrico intorno a loro, quella del polo negativo facilita l'emissione di elettroni che ionizzando l'aria circostante la sfera positiva, fa si che quest'ultima sia in grado di far scoccare le scintille.

In Fig.2 si è rappresentato un disco della macchina, il cerchio in rosso è la carica positiva, quello in azzurro la negativa ed in grigio le parti scariche, in corrispondenza dell’elettrodo negativo, a destra della figura, si ha un contatto strisciante polarizzato positivamente, viceversa a sinistra della stessa immagine l’elettrodo sarà positivo e la spazzola ad esso collegato assumerà carica negativa. Se si fa ruotare il disco in senso antiorario la circonferenza azzurra passerà sulla spazzola con carica positiva e cederà ad essa la sua carica negativa che sarà trasferita sull’elettrodo di destra, la stessa cosa farà la carica positiva per l’elettrodo di sinistra. Dopo essere passate attraverso i contatti striscianti le parti non avranno carica, tuttavia saranno subito polarizzate per interazione con le altre cariche dell’altro disco ruotante in antefase; da qui l’importanza di avere sui due dischi lo stesso numero di settori opposti con uguale superficie. In particolare i settori che sono venuti in contatto con la spazzola di destra, per interazione con i loro opposti assumeranno carica positiva, l’opposto accadrà dalla parte sinistra di figura. Se si invertisse il moto dei dischi le parti ruoterebbero in senso opposto alla direzione di polarizzazione scaricando invece di caricare gli elettrodi, da qui la necessità di far ruotare la manovella sempre in una direzione. Quanto scritto permette di comprendere perché non è possibile invertire il moto dei dischi una volta iniziata la carica del condensatore. In alcuni generatori di Wimshurst tuttavia sono impiegati dei filamenti conduttori per la messa a terra posti subito dopo le spazzole nel senso della rotazione della manovella in grado di scaricare eventuali polarizzazioni residue sui settori opposti. Questo accorgimento impone che il verso di rotazione sia fisso anche in fase di avvio del dispositivo dal momento che, invertendo tale verso, i collettori non si potrebbero caricare.

Emanuele Basile – Ingegnere