Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Вода капельница Кельвина , изобретенная шотландский ученый Уильям Томсон (Лорд Кельвин) в 1867 году, [1] 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 разницы напряжений за счет электростатической индукции, возникающей между соединенными между собой разноименно заряженнымисистемы. 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 [ править ]

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) подключено к правому ведру, а правое кольцо (красное)подключается к левому ковшу. Емкости должны быть электрически изолированы друг от друга и от электрического заземления. Точно так же кольца должны быть электрически изолированы друг от друга и от 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.

Принципы работы [ править ]

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, капля 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. [2] 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 . [3]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 быть в диапазоне киловольт, но количество заряда невелико, поэтому опасность для людей не больше, чем статические электрические разряды, возникающие при шарканье ногами по ковру.Например.

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, выделяющейся при падении воды. Заряженные падающие капли воды действительно работают против противоположного электрического поля одинаково заряженных контейнеров, которое оказывает на них направленную вверх силу, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в электрическую потенциальную энергию плюс кинетическую энергию движения . Кинетическая энергия теряется в виде тепла , когда вода падает в землю ведрами, поэтому , если рассматривать в качестве электрической энергии генераторамашина Кельвина очень неэффективна. Однако принцип работы такой же, как и с другими формами гидроэнергетики . Как всегда, энергия сохраняется.

Подробности [ править ]

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, основана на той же физике, что и в работе генератора Ван де Граафа .

Вышеупомянутое обсуждение относится к падающим заряженным каплям. Эффекты индуктивной зарядки возникают 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. [4]

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. [5] Год спустя они разработали другую версию микрожидкостной капельницы для воды Кельвина [6], использующей микромасштабную струю жидкости (которая затем распадалась на микрокапли), направленную на металлическую мишень, что дало максимальный КПД 48%. [7]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «О самодействующем аппарате для умножения и поддержания электрических зарядов с приложениями к теории Вольта» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Серия 4. 34 (231): 391–396 . Проверено 1 сентября 2015 года .
  2. ^ "Деятельность капельницы воды Кельвина" . CSIRO. Архивировано из оригинала на 2005-02-08 . Проверено 7 января 2009 .
  3. ^ Марьям Zaiei-Moayyed; Эдвард Гудман; Питер Уильямс (ноябрь 2000 г.). «Электрическое отклонение полярных жидких потоков: неправильно понятая демонстрация» . Журнал химического образования . 77 (11): 1520–1524. Bibcode : 2000JChEd..77.1520Z . DOI : 10.1021 / ed077p1520 . S2CID 95473318 . 
  4. ^ Маркус Зан, «Генерация высокого напряжения переменного тока с самовозбуждением с использованием капель воды», Американский журнал физики , вып. 41, страницы 196-202 (1973). [1]
  5. ^ Альваро Г. Марин и др., "Микрожидкостная капельница для воды Кельвина". Лаборатория на микросхеме (DOI: 10.1039 / C3LC50832C). ( https://arxiv.org/abs/1309.2866 ).
  6. ^ Y.Xie et al., "Баллистическая капельница Кельвина, управляемая давлением, для сбора энергии". «Лаборатория на кристалле» (DOI: 10.1039 / C4LC00740A).
  7. ^ Y.Xie et al., "Высокоэффективный баллистический электростатический генератор с использованием микрокапель". "Nature Communications" (DOI: 10.1038 / ncomms4575).

Внешние ссылки [ править ]

  • YouTube («Райнхард Шумахер») - Капельница Кельвина: реализация и объяснение
  • YouTube ("RimstarOrg") - Капельница Кельвина и как она работает
  • YouTube ("Veritasium") - Искры из падающей воды: гроза Кельвина
  • Подробное описание устройства и того, как собрать свою капельницу для воды по шкале Кельвина.
  • Лего Кельвин капельница для воды