Капельница Кельвина - Kelvin water dropper

Воды капельница Кельвина , изобрел шотландский ученый Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1867 году, представляет собой тип электростатического генератора . Кельвин называл устройство своим капельным конденсатором . Устройство по - разному называют гидроэлектростанции генератор Кельвина , то электростатический генератор Кельвина , или грозовой Лорда Кельвина . Устройство использует падающую воду для создания разности напряжений за счет электростатической индукции, возникающей между соединенными между собой разноименно заряженными системами. В конечном итоге это приводит к возникновению электрической дуги в виде искры. Он используется в физическом образовании для демонстрации принципов электростатики .

Чертеж типичной установки капельницы для воды Кельвина
Рис. 1: Схема установки капельницы Кельвина.

Описание

Типичная установка показана на рис. 1. Резервуар с водой или другой проводящей жидкостью (вверху, зеленый) подключен к двум шлангам, которые выпускают два падающих потока капель, которые попадают в два ведра или контейнера (нижний, синий и красный). . Каждый поток проходит (не касаясь) через металлическое кольцо или открытый цилиндр, который электрически соединен с противоположным приемным контейнером; левое кольцо (синее) соединено с правым ковшом, а правое кольцо (красное) соединено с левым ковшом. Емкости должны быть электрически изолированы друг от друга и от электрического заземления. Точно так же кольца должны быть электрически изолированы друг от друга и окружающей их среды. Необходимо, чтобы потоки разбились на отдельные капли до попадания в емкости. Обычно емкости изготавливаются из металла, а кольца к ним соединяются проводами.

Простая конструкция делает это устройство популярным в физическом образовании в качестве лабораторного эксперимента для студентов.

Принцип работы

Версия машины 1918 года.
Оригинальный рисунок Кельвина 1867 года.
Копия машины, проданная для использования в образовательных целях.
В оригинальной машине Кельвина вместо ведер после падения через зарядные электроды капли падают в металлические воронки, которые собирают заряд, но пропускают воду. Заряд хранится в двух конденсаторах лейденской банки (большие цилиндрические объекты).

Небольшая начальная разница в электрическом заряде между двумя баками, которая всегда существует, потому что бакеты изолированы друг от друга, необходима для начала процесса зарядки. Предположим, поэтому, что правое ведро имеет небольшой положительный заряд. Теперь левое кольцо также имеет некоторый положительный заряд, потому что оно подключено к ведру. Заряд на левом кольце будет притягивать отрицательные заряды в воде ( ионы ) в левый поток за счет кулоновского электростатического притяжения . Когда капля отрывается от конца левого потока, она несет с собой отрицательный заряд. Когда отрицательно заряженная капля воды попадает в ведро (левое), оно дает этому ведру и прикрепленному к нему кольцу (правое) отрицательный заряд.

Как только правое кольцо имеет отрицательный заряд, оно точно так же притягивает положительный заряд в правый поток. Когда капли отрываются от конца этого потока, они переносят положительный заряд в положительно заряженное ведро, делая это ведро еще более положительно заряженным.

Таким образом, положительные заряды притягиваются кольцом к правому потоку, а положительный заряд капает в положительно заряженное правое ведро. Отрицательные заряды притягиваются к левому потоку, а отрицательный заряд капает в отрицательно заряженное левое ведро. Этот процесс разделения зарядов, происходящий в воде, называется электростатической индукцией . Чем выше заряд, который накапливается в каждом ведре, тем выше электрический потенциал на кольцах и тем эффективнее этот процесс электростатической индукции. Во время процесса индукции электрический ток течет в виде положительных или отрицательных ионов в воде линий подачи. Это отдельный поток воды, который проходит через кольца и разбивается на капли по пути к контейнерам. Например, когда вода приближается к отрицательно заряженному кольцу справа, любые свободные электроны в воде могут легко улететь влево, против течения воды.

В конце концов, когда оба ведра сильно заряжены, можно увидеть несколько различных эффектов. Электрическая искра может на короткое время дуги между двумя ведрами или колец, уменьшая заряд на каждом сегменте. Если есть постоянный поток воды через кольца, и если потоки не идеально центрированы в кольцах, можно наблюдать отклонение потоков перед каждой искрой из-за электростатического притяжения по закону противоположных зарядов Кулона . По мере увеличения заряда плавный и устойчивый поток может разветвляться из-за самоотталкивания чистых зарядов в потоке. Если поток воды настроен таким образом, что он разбивается на капли в непосредственной близости от колец, капли могут притягиваться к кольцам достаточно, чтобы коснуться колец и накапливать свой заряд на противоположно заряженных кольцах, что снижает заряд на этой стороне система. В этом случае ведра также начнут электростатически отражать падающие на них капли и могут отбрасывать капли от ведер. Каждый из этих эффектов ограничивает напряжение, которое может быть достигнуто устройством. Напряжение, достигаемое этим устройством, может находиться в диапазоне киловольт, но количество заряда невелико, поэтому опасность для людей не больше, чем статические электрические разряды, возникающие, например, при шарканье ногами по ковру.

Противоположные заряды, которые накапливаются на ведрах, представляют собой электрическую потенциальную энергию , о чем свидетельствует энергия, выделяемая в виде света и тепла, когда между ними проходит искра. Эта энергия исходит из гравитационной потенциальной энергии, высвобождаемой при падении воды. Заряженные падающие капли воды действительно работают против противоположного электрического поля одинаково заряженных контейнеров, которое оказывает на них восходящую силу, преобразовывая потенциальную гравитационную энергию в электрическую потенциальную энергию плюс кинетическую энергию движения . Кинетическая энергия теряется в виде тепла , когда вода падает в землю ведра, так что, когда рассматривается в качестве электрической энергии генератора машина Кельвина очень неэффективно. Однако принцип работы такой же, как и с другими формами гидроэнергетики . Как всегда, энергия сохраняется.

Подробности

Рис. 3: Капельница для воды по шкале Кельвина, установленная на Кембриджском научном фестивале 2014 г.

Если ведра являются металлическими проводниками, то накопившийся заряд находится на внешней стороне металла, а не в воде. Это часть процесса электрической индукции и пример связанного с ним «ведра со льдом Фарадея». Кроме того, идея переноса небольшого количества заряда в центр большого металлического объекта с большим чистым зарядом, как это происходит в капельнице Кельвина, опирается на ту же физику, что и в работе генератора Ван де Граафа .

Вышеупомянутое обсуждение относится к падающим заряженным каплям. Эффект индуктивной зарядки возникает при непрерывном потоке воды. Это связано с тем, что поток и разделение заряда происходит уже тогда, когда потоки воды приближаются к кольцам, так что, когда вода проходит через кольца, на воде уже есть чистый заряд. Когда образуются капли, на каждой капле улавливается некоторый чистый заряд, поскольку сила тяжести тянет ее к одинаково заряженному контейнеру.

Когда контейнеры металлические, провода могут быть прикреплены к металлу. В противном случае конец контейнера каждого провода должен окунуться в воду. В последнем случае заряд находится на поверхности воды, а не за пределами контейнеров.

Аппарат может быть расширен до более чем двух потоков капель.

В 2013 году объединенная группа из Университета Твенте (Нидерланды) сконструировала микрожидкостную версию капельницы воды Кельвина, которая генерирует электрические напряжения, способные заряжать, деформировать и разбивать капли воды микрометрического размера, просто используя пневматическую силу вместо силы тяжести. Год спустя они разработали другую версию микрожидкостной капельницы для воды Кельвина, используя струю жидкости микромасштабного размера (которая затем разбивалась на микрокапли), направленную на металлическую мишень, что дало максимальный КПД 48%.

Историческое прошлое

В « De Magnete» , опубликованном в 1600 году, Гилберт включил исследования статического электричества, производимого янтарем, и его взаимодействия с водой. Он наблюдал образование конических структур на воде, которые теперь обычно называют конусами Тейлора .

Другие ранние исследования, в которых отмечается взаимодействие статического электричества с водой и опубликованные на английском языке, включают:

Фрэнсис Хоксби «Физико-механические эксперименты на различных объектах». (1719)

Уильям Уотсон, «Эксперименты и наблюдения, иллюстрирующие природу и свойства электричества». (MDCCXLVI) (1741)

Джон Теофил Дезагюльерс, "Диссертация об электричестве" Иннис и Лонгман, Лондон, MDCCXLII (1742 г.)

Джозеф Пристли, "История и современное состояние электричества с оригинальными экспериментами, тома I, II и III (MDCCLXVII) (1747)"

Джеймс Фергюсон, "Введение в электричество", У. Страхан и Т. Каделл, Лондон, MDCCLXX (1770)

Джордж Адамс "Очерк электричества" Лондон (1785)

Тиберий Кавалло "Полный трактат об электричестве в теории и практике с оригинальными экспериментами", тома I и II (MDCCXCV) (1795 г.)

Джон Катбертсон «Практическое электричество» Дж. Кэллоу, Лондон (1807 г.)

Джордж Джон Сингер "Элементы электричества и электрохимии" Лонгман, Херст, Рис, Орм и Браун, Патерностер-Роу, 1814 г.

Джордж У. Фрэнсис "Электростатические эксперименты" (1844 г.)

Генри Минчин Ноад "Руководство по электричеству" в двух томах (1857 г.)


К 1840-м годам можно было продемонстрировать, что потоки воды могут нести электрический заряд, что потоки, несущие одинаковый заряд, отталкиваются и что потоки, несущие разный заряд, притягиваются. Можно также продемонстрировать, что физическое разделение зарядов, то есть разделение заряда на разные области, может быть вызвано в водоеме статическим электрическим полем.

Уильям Томсон (лорд Кельвин) использовал этот фундамент накопленных знаний, чтобы в 1859 году создать устройство, предполагающее взаимодействие потока воды со статическим электрическим полем Земли, чтобы вызвать разделение зарядов и последующее измерение заряда для измерения атмосферного электричества.

Экспериментальные исследования

Исследования электростатического генератора Кельвина в различных контролируемых условиях показали, что он работал с водопроводной водой, дистиллированной водой (не деионизированной) и насыщенным раствором NaCl. Также было обнаружено, что генератор работал хорошо, даже если два потока жидкости берут начало из разных электрически изолированных резервуаров. Была предложена модель, в которой электрический заряд возникает в результате разделения положительного водного иона водорода и отрицательного водного гидроксильного иона при образовании капель воды.

использованная литература

внешние ссылки