Alta Tensione. Alta tensione. La Fisica dell elettromagnetismo attraverso lo studio degli strumenti scientifici storici del Virgilio

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1 Alta Tensione Alta tensione La Fisica dell elettromagnetismo attraverso lo studio degli strumenti scientifici storici del Virgilio

2 La macchina di Wimshurst Origine, classificazione Struttura di Ruhmkorff. Descrizione 1. Scopo 2. Input/Output 3. Processi 4. Controlli

3 Macchina di Wimshurst Da chi è stata concepita e quando James Wimshurst ( ) 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. di Ruhmkorff. (

4 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.

5 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.

6 Macchina di Wimshurst - Struttura 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.

7 Macchina di Wimshurst - Struttura

8 Macchina di Wimshurst Struttura fronte

9 Macchina di Wimshurst Struttura retro

10 Macchina di Wimshurst

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12

13 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)

14 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)

15 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)

16 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.

17 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. di Ruhmkorff. 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.

18 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.

19 Macchina di Wimshurst Controlli I processi che avvengono nella macchina di Wimshurst possono 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.

20 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. di Ruhmkorff. (1) l intensità del campo elettrico in prossimità della superficie di un conduttore è proporzionale alla densità superficiale di carica elettrica

21 macchina di Wimshurst principi di funzionamento induzione elettrostatica di Ruhmkorff.

22 Induzione elettrostatica

23 macchina di Wimshurst principi di funzionamento elettroforo perpetuo di Ruhmkorff.

24 Elettroforo perpetuo (1775)

25 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.

26 Generatore a strofinio di Hauksbee (1710) macchina di Wimshurst principi di funzionamento potere delle punte

27 macchina di Wimshurst principi di funzionamento bottiglia di Leida di Ruhmkorff.

28 Bottiglia di Leida (1746)

29 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.

30 Macchina di Wimshurst schema di flusso della macchina 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 (Ciclo) di Ruhmkorff. La carica viene accumulata in alcune bottiglie di Leida

31 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.

32 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

33 Processo step-by-step

34 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.

35 Avviamento

36 Avviamento

37 Avviamento

38 Avviamento

39 Avviamento 1 2

40 Avviamento 1 2

41 Avviamento

42 Avviamento

43 Ciclo prima parte

44 Ciclo prima parte

45 Ciclo prima parte

46 2 1 Ciclo prima parte

47 2 1 Ciclo prima parte

48 Ciclo prima parte

49 Ciclo seconda parte

50 Ciclo seconda parte

51 Ciclo seconda parte

52 1 2 Ciclo seconda parte

53 1 2 Ciclo seconda parte

54 Ciclo seconda parte

55 Processo completo Avviamento Ciclo.

56 Macchina di Wimshurst Scheda descrittiva Capitoli di Ruhmkorff. 1. Origine e classificazione 2. Struttura 3. Descrizione 1. Scopo 2. Input / Output 3. Processi 4. Controlli 4. Principi di funzionamento 5. Modalità di funzionamento

57 Macchina di Wimshurst Alcune grandezze essenziali Rigidità dielettrica di alcuni materiali aria secca 3 kv / mm carta 3 kv / mm vetro kv / mm porcellana kv / mm polietilene 200 kv / mm SF 6 (a 1 bar e 20 C) 6,4 kv / mm SF 6 (a 8 bar e 20 C) 50 kv / mm di Ruhmkorff.

58 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.

59 Tubo di Roentgen

60 Alta Tensione Alta tensione La Fisica dell elettromagnetismo attraverso lo studio degli strumenti scientifici storici del Virgilio

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