Kroplomierz wody Kelvina - Kelvin water dropper

Kelvin woda zakraplacz , wynaleziony przez szkocki naukowiec William Thomson (Lord Kelvin) w 1867 roku, jest to rodzaj generatora elektrostatycznego . Kelvin nazwał urządzenie swoim skraplaczem . Urządzenie jest różnie nazywany Kelvin wodnej generator The generator elektrostatyczny Kelvina lub burza Lorda Kelvina . Urządzenie wykorzystuje spadającą wodę do generowania różnic napięcia poprzez indukcję elektrostatyczną zachodzącą między połączonymi, przeciwnie naładowanymi systemami. To ostatecznie prowadzi do wyładowania łuku elektrycznego w postaci iskry. Wykorzystywany jest w edukacji fizyki, aby zademonstrować zasady elektrostatyki .

Rysunek typowej konfiguracji zakraplacza wody Kelvin
Rys. 1: Schematyczna konfiguracja zakraplacza Kelvina.

Opis

Typowy układ pokazano na rys. 1. Zbiornik wody lub innej cieczy przewodzącej (górny, zielony) jest podłączony do dwóch węży, które uwalniają dwa spadające strumienie kropel, które lądują w dwóch wiaderkach lub pojemnikach (dolny, niebieski i czerwony) . Każdy strumień przechodzi (bez dotykania) przez metalowy pierścień lub otwarty cylinder, który jest elektrycznie połączony z przeciwległym pojemnikiem odbiorczym; lewy pierścień (niebieski) jest połączony z prawym kubełkiem, a prawy pierścień (czerwony) jest połączony z lewym kubełkiem. Pojemniki muszą być odizolowane elektrycznie od siebie oraz od uziemienia elektrycznego. Podobnie pierścienie muszą być elektrycznie odizolowane od siebie i otoczenia. Konieczne jest, aby strumienie rozpadły się na oddzielne kropelki przed dotarciem do pojemników. Zazwyczaj pojemniki są wykonane z metalu, a pierścienie są z nimi połączone przewodami.

Prosta konstrukcja sprawia, że ​​urządzenie to jest popularne w edukacji fizyki jako eksperyment laboratoryjny dla studentów.

Zasady działania

Wersja maszyny z 1918 roku.
Oryginalny rysunek Kelvina z 1867 roku.
Replika maszyny sprzedawana do użytku edukacyjnego.
W oryginalnej maszynie Kelvina zamiast wiader, krople po przejściu przez elektrody ładujące wpadają do metalowych lejków, które zbierają ładunek, ale przepuszczają wodę. Ładunek jest przechowywany w dwóch kondensatorach Leyden jar (duże cylindryczne obiekty)

Niewielka początkowa różnica ładunku elektrycznego między dwoma kubełkami, która zawsze występuje, ponieważ kubełki są od siebie odizolowane, jest niezbędna do rozpoczęcia procesu ładowania. Załóżmy zatem, że prawe wiadro ma mały ładunek dodatni. Teraz lewy pierścień również ma pewien ładunek dodatni, ponieważ jest połączony z wiadrem. Ładunek na lewym pierścieniu będzie przyciągał ładunki ujemne w wodzie ( jony ) do strumienia lewego przez przyciąganie elektrostatyczne kulombowskie . Kiedy kropla odrywa się od końca lewego strumienia, kropla niesie ze sobą ładunek ujemny. Gdy ujemnie naładowana kropla wody wpadnie do swojego wiadra (lewego), daje temu wiaderkowi i dołączonemu pierścieniowi (prawemu) ładunek ujemny.

Gdy prawy pierścień ma ładunek ujemny, podobnie przyciąga ładunek dodatni do prawego strumienia. Kiedy krople odrywają koniec tego strumienia, przenoszą ładunek dodatni do dodatnio naładowanego wiadra, czyniąc to wiadro jeszcze bardziej dodatnio naładowanym.

W ten sposób dodatnie ładunki są przyciągane do prawego strumienia przez pierścień, a dodatni ładunek spływa do dodatnio naładowanego prawego wiadra. Ładunki ujemne są przyciągane przez lewy strumień, a ładunek ujemny ścieka do ujemnie naładowanego lewego wiadra. Ten proces separacji ładunków zachodzących w wodzie nazywany jest indukcją elektrostatyczną . Im wyższy ładunek, który gromadzi się w każdym wiadrze, tym wyższy potencjał elektryczny na pierścieniach i tym bardziej efektywny jest ten proces indukcji elektrostatycznej. Podczas procesu indukcji w wodzie linii zasilających płynie prąd elektryczny w postaci jonów dodatnich lub ujemnych. Jest to oddzielone od masowego strumienia wody, która spada przez pierścienie i rozpada się na kropelki w drodze do pojemników. Na przykład, gdy woda zbliża się do ujemnie naładowanego pierścienia po prawej stronie, wszelkie swobodne elektrony w wodzie mogą łatwo uciec w lewo, pod prąd wody.

W końcu, gdy oba wiadra zostaną mocno naładowane, można zaobserwować kilka różnych efektów. Iskry elektrycznej krótko może łuku pomiędzy dwiema pojemników lub pierścieni, zmniejszenia ładunku na każdym segmencie. Jeśli przez pierścienie przepływa stały strumień wody, a strumienie nie są idealnie wyśrodkowane w pierścieniach, można zaobserwować ugięcie strumieni przed każdą iskrą w wyniku przyciągania elektrostatycznego zgodnie z prawem Coulomba przeciwnych ładunków. Wraz ze wzrostem ładowania płynny i stały strumień może się rozproszyć z powodu samoodpychania się ładunków netto w strumieniu. Jeśli przepływ wody jest ustawiony tak, że rozpada się na kropelki w pobliżu pierścieni, krople mogą być przyciągane do pierścieni na tyle, aby dotknąć pierścieni i osadzić swój ładunek na przeciwnie naładowanych pierścieniach, co zmniejsza ładunek po tej stronie pierścieni. system. Również w tym przypadku wiaderka zaczną elektrostatycznie odpychać spadające w ich kierunku kropelki i mogą je wyrzucać z wiader. Każdy z tych efektów ograniczy napięcie, jakie może osiągnąć urządzenie. Napięcia osiągane przez to urządzenie mogą mieścić się w zakresie kilowoltów, ale ilości ładunku są niewielkie, więc nie ma większego zagrożenia dla ludzi niż wyładowania elektrostatyczne wytwarzane na przykład przez szuranie stopami po dywanie.

Przeciwne ładunki, które gromadzą się na kubełkach, reprezentują elektryczną energię potencjalną , o czym świadczy energia uwalniana jako światło i ciepło, gdy iskra przechodzi między nimi. Energia ta pochodzi z grawitacyjnej energii potencjalnej uwalnianej podczas opadania wody. Naładowane spadające krople wody działają przeciwko przeciwstawnemu polu elektrycznemu podobnie naładowanych pojemników, które wywiera na nie siłę skierowaną w górę, przekształcając grawitacyjną energię potencjalną w elektryczną energię potencjalną plus energię kinetyczną ruchu . Energia kinetyczna jest marnowana w postaci ciepła, gdy krople wody lądują w wiadrach, więc maszyna Kelvina, uznana za generator energii elektrycznej , jest bardzo nieefektywna. Jednak zasada działania jest taka sama jak w przypadku innych form energetyki wodnej . Jak zawsze energia jest oszczędzana.

Detale

Rys. 3: Kroplomierz Kelvina ustawiony na Cambridge Science Festival 2014

Jeśli wiadra są przewodnikami metalowymi, wówczas nagromadzony ładunek znajduje się na zewnątrz metalu, a nie w wodzie. Jest to część procesu indukcji elektrycznej i jest przykładem powiązanego „wiadra z lodem Faradaya”. Ponadto pomysł wprowadzenia niewielkich ilości ładunku do środka dużego metalowego obiektu z dużym ładunkiem netto, jak to ma miejsce w kroplomierzu Kelvina, opiera się na tej samej fizyce, co w działaniu generatora van de Graaffa .

Powyższa dyskusja dotyczy spadających naładowanych kropel. Efekty ładowania indukcyjnego występują przy ciągłym strumieniu wody. Dzieje się tak, ponieważ przepływ i oddzielenie ładunku następuje już wtedy, gdy strumienie wody zbliżają się do pierścieni, tak że gdy woda przechodzi przez pierścienie, na wodzie znajduje się już ładunek netto. Kiedy tworzą się krople, pewien ładunek netto zostaje uwięziony na każdej kropli, gdy grawitacja ciągnie ją w kierunku podobnie naładowanego pojemnika.

Gdy pojemniki są metalowe, druty mogą być przymocowane do metalu. W przeciwnym razie końcówka każdego przewodu musi zanurzyć się w wodzie. W tym ostatnim przypadku ładunek znajduje się na powierzchni wody, a nie na zewnątrz pojemników.

Aparat można rozszerzyć na więcej niż dwa strumienie kropelek.

W 2013 roku połączona grupa z University of Twente (Holandia) skonstruowała mikroprzepływową wersję kroplomierza Kelvina, który dostarcza napięcia elektryczne zdolne do ładowania, deformowania i rozbijania kropelek wody o rozmiarach mikrometrycznych za pomocą siły pneumatycznej zamiast grawitacji. Rok później opracowali kolejną wersję mikroprzepływowego zakraplacza wody Kelvina, wykorzystującą strumień cieczy w mikroskali (który następnie rozpadał się na mikrokropelki) wystrzeliwany na metalowy cel, co dawało maksymalną wydajność 48%.

Tło historyczne

W opublikowanej w 1600 roku publikacji De Magnete Gilbert uwzględnił badania elektryczności statycznej wytwarzanej przez bursztyn i jego oddziaływania z wodą. Zaobserwował powstawanie na wodzie stożkowych struktur, które obecnie powszechnie nazywa się stożkami Taylora .

Inne wczesne badania odnotowujące interakcję elektryczności statycznej z wodą i zgłoszone w języku angielskim obejmują:

Francis Hauksbee „Eksperymenty fizyko-mechaniczne na różne tematy”. (1719)

William Watson, „Eksperymenty i obserwacje mające na celu zilustrowanie natury i właściwości energii elektrycznej”. (MDCCXLVI) (1741)

John Theophilus Desaguliers, „Rozprawa o elektryczności” Innys and Longman, London MDCCXLII (1742)

Joseph Priestley, „Historia i obecny stan energii elektrycznej z oryginalnymi eksperymentami przez , tomy I, II i III (MDCCLXVII) (1747)

James Ferguson, „Wprowadzenie do elektryczności”, W. Strahan i T. Cadell, Londyn MDCCLXX (1770)

George Adams „Esej o elektryczności” Londyn (1785)

Tiberius Cavallo „Kompletny traktat o elektryczności w teorii i praktyce z oryginalnymi eksperymentami” tomy I i II (MDCCXCV) (1795)

John Cuthbertson „Praktyczna energia elektryczna” J. Callow, Londyn (1807)

George John Singer „Elementy elektryczności i elektrochemii” Longman, Hurst, Rees, Orme i Brown, Paternoster Row 1814

George W. Francis „Eksperymenty elektrostatyczne” (1844)

Henry Minchin Noad „Podręcznik elektryczności” w dwóch tomach (1857)


W latach czterdziestych XIX wieku udało się wykazać, że strumienie wody mogą przenosić ładunek elektryczny, że strumienie przenoszące podobny ładunek są odpychane i że strumienie przenoszące inny ładunek są przyciągane. Można również wykazać, że fizyczne rozdzielenie ładunku, to znaczy rozdzielenie ładunku na różne obszary, może być indukowane w zbiorniku wodnym przez statyczne pole elektryczne.

William Thomson (Lord Kelvin) wykorzystał tę podstawę zgromadzonej wiedzy, aby w 1859 roku stworzyć aparat polegający na interakcji strumienia wody ze statycznym polem elektrycznym Ziemi, aby spowodować oddzielenie ładunku, a następnie pomiar ładunku w celu wykonania pomiarów elektryczności atmosferycznej.

Badania eksperymentalne

Badania generatora elektrostatycznego Kelvina w różnych kontrolowanych warunkach wykazały, że działa on z wodą z kranu, wodą destylowaną (niedejonizowaną) i nasyconym roztworem NaCl. Stwierdzono również, że generator działał dobrze, nawet jeśli dwa strumienie cieczy pochodzą z różnych elektrycznie izolowanych zbiorników. Zaproponowano model, w którym ładunek elektryczny wynika z rozdzielenia dodatniego wodnego jonu wodorowego i ujemnego wodnego jonu hydroksylowego w postaci kropel wody.

Bibliografia

Zewnętrzne linki