капельница для воды по Кельвину

Капельница для воды Кельвина , изобретенная шотландским ученым Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1867 году. ^[1] это тип электростатического генератора . Кельвин называл это устройство своим водокапельным конденсатором . Аппарат по-разному называют гидроэлектрическим генератором Кельвина , электростатическим генератором Кельвина или грозой лорда Кельвина . Устройство использует падающую воду для создания напряжений разницы за счет электростатической индукции, возникающей между взаимосвязанными противоположно заряженными системами. В конечном итоге это приводит к возникновению электрической дуги в виде искры. Он используется в обучении физике для демонстрации принципов электростатики .

Описание

Типичная установка показана на рис. 1. Резервуар с водой или другой проводящей жидкостью (вверху, серый) подсоединен к двум шлангам, из которых выпускаются два падающих потока капель, которые попадают в два ведра или контейнера (внизу, синий и красный). . Каждый поток проходит (не соприкасаясь) через металлическое кольцо или открытый цилиндр, электрически соединенный с противоположным приемным контейнером; левое кольцо (красное) подключено к правому ведру, а правое кольцо (синее) подключено к левому ведру. Контейнеры должны быть электрически изолированы друг от друга и от электрического заземления. Точно так же кольца должны быть электрически изолированы друг от друга и окружающей среды. Потоки должны разбиться на отдельные капли, прежде чем достигнут контейнеров. Обычно контейнеры изготавливаются из металла, а кольца соединяются с ними проводами.

Простая конструкция делает это устройство популярным в обучении физике в качестве лабораторного эксперимента для студентов.

Принципы работы

Версия машины 1918 года.

Оригинальный рисунок Кельвина 1867 года.

Копия машины продана для использования в образовательных целях.

В оригинальной машине Кельвина вместо ведер после падения через зарядные электроды капли попадают в металлические воронки, которые собирают заряд, но пропускают воду. Заряд хранится в двух лейденской банки конденсаторах (больших цилиндрических предметах).

Для начала процесса зарядки необходима небольшая начальная разница в электрическом заряде между двумя ведрами, которая всегда существует, поскольку ведра изолированы друг от друга. Предположим поэтому, что правое ведро имеет небольшой положительный заряд. Теперь левое кольцо также имеет некоторый положительный заряд, поскольку оно подключено к ведру. Заряд на левом кольце будет притягивать отрицательные заряды воды ( ионы ) в левый поток за счет кулоновского электростатического притяжения . Когда капля отрывается от конца левого потока, она несет в себе отрицательный заряд. Когда отрицательно заряженная капля воды падает в ведро (левое), она придает этому ведру и прикрепленному к нему кольцу (правому) отрицательный заряд.

Когда правое кольцо приобретает отрицательный заряд, оно аналогичным образом 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, и положительный заряд стекает в положительно заряженное правое ведро. Отрицательные заряды притягиваются к левому потоку, а отрицательный заряд стекает 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 в воде питающих линий протекает электрический ток в виде положительных или отрицательных ионов. Это отдельный от основного потока воды, который попадает 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 убежать влево, против потока воды.

В конце концов, когда оба ведра становятся сильно заряженными, можно увидеть несколько различных эффектов. Электрическая искра может на короткое время образовать дугу между двумя ковшами или кольцами, уменьшая заряд каждого ковша. Если через кольца протекает постоянный поток воды и если потоки не идеально центрированы в кольцах, можно наблюдать отклонение потоков перед каждой искрой из-за электростатического притяжения по Кулона . закону противоположных зарядов ^[3]По мере увеличения заряда плавный и устойчивый поток может разветвляться из-за самоотталкивания чистых зарядов в потоке. Если поток воды установлен таким образом, что он разбивается на капли вблизи колец, капли могут притянуться к кольцам настолько, что коснутся колец и перенесут свой заряд на противоположно заряженные кольца, что уменьшит заряд на этой стороне кольца. система. В этом случае ведра начнут электростатически отталкивать падающие на них капли и могут отбросить капли от ведер. Каждый из этих эффектов будет ограничивать напряжение, которого может достичь устройство. Напряжения, достигаемые этим устройством, могут находиться в диапазоне киловольт, но количество зарядов невелико, поэтому опасность для людей не больше, чем, например, статические электрические разряды, возникающие при шаркании ног по ковру.

Противоположные заряды, которые накапливаются на ведрах, представляют собой потенциальную электрическую энергию , о чем свидетельствует энергия, выделяющаяся в виде света и тепла, когда между ними проходит искра. Эта энергия исходит от гравитационной потенциальной энергии, высвобождаемой при падении воды. Заряженные падающие капли воды работают против противоположного электрического поля одноименно заряженных контейнеров, которое оказывает на них направленную вверх силу, преобразуя потенциальную гравитационную энергию в электрическую потенциальную энергию, а также кинетическую энергию движения . электроэнергии, как генератор Кинетическая энергия тратится в виде тепла, когда капли воды попадают в ведра, поэтому, если рассматривать машину Кельвина она очень неэффективна. Однако принцип работы такой же, как и у других видов гидроэлектроэнергии . Как всегда, энергия сохраняется.

Подробности

Если ведра представляют собой металлические проводники, то накопленный заряд находится снаружи металла, а не в воде. Это часть процесса электрической индукции и пример родственного « ведра со льдом Фарадея ». Кроме того, идея внесения небольших количеств заряда в центр большого металлического объекта с большим суммарным зарядом, как это происходит в капельнице Кельвина, опирается на ту же физику, что и работа генератора Ван де Граафа .

Вышеприведенное обсуждение ведется с точки зрения падения заряженных капель. Эффекты индуктивной зарядки возникают при непрерывном потоке воды. Это происходит потому, что течение и разделение заряда происходит уже тогда, когда потоки воды приближаются к кольцам, так что, когда вода проходит через кольца, на воде уже имеется чистый заряд. Когда образуются капли, некоторый суммарный заряд задерживается на каждой капле, поскольку сила тяжести притягивает ее к контейнеру с таким же зарядом.

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

Устройство может быть расширено до более чем двух потоков капель. ^[4]

В 2013 году объединенная группа из Университета Твенте (Нидерланды) сконструировала микрофлюидную версию капельницы Кельвина, которая генерирует электрическое напряжение, способное заряжать, деформировать и разрушать капли воды микрометрического размера, просто используя пневматическую силу вместо гравитации. ^[5] Год спустя они разработали еще одну версию микрофлюидной капельницы Кельвина. ^[6] с использованием микромасштабной струи жидкости (которая затем распадалась на микрокапли) и попадания на металлическую мишень, что дало максимальную эффективность 48%. ^[7]

Историческая справка

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

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

Фрэнсис Хоксби «Физико-механические эксперименты на различных предметах». (1719)
Уильям Уотсон, «Эксперименты и наблюдения, призванные проиллюстрировать природу и свойства электричества». (MDCCXLVI) (1741)
Джон Теофил Дезагулье, «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 г.)
Джеймс Фергюсон, «Введение в электричество», В. Страхан и Т. Каделл, Лондон, MDCCLXX (1770 г.)
Джордж Адамс, «Очерк электричества», Лондон (1785 г.)
Тибериус 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 Фрэнсис, «Электростатические эксперименты» (1844 г.)
Генри Минчин Ноад, «Руководство по электричеству» в двух томах (1857 г.)

К 1840-м годам удалось доказать, что потоки воды могут нести электрический заряд, что потоки, несущие одинаковый заряд, отталкиваются, а потоки, несущие разный заряд, притягиваются. ^[8] Также можно было бы продемонстрировать, что физическое разделение зарядов, то есть разделение заряда на разные области, может быть вызвано в водоеме статическим электрическим полем.

Лорд Кельвин использовал эту основу накопленных знаний, чтобы в 1859 году создать аппарат, включающий взаимодействие потока воды со статическим электрическим полем Земли, чтобы вызвать разделение зарядов и последующее измерение заряда для измерения атмосферного электричества. ^[9]

Экспериментальные исследования

Исследования электростатического генератора Кельвина в различных контролируемых условиях показали, что он работает с водопроводной водой, дистиллированной водой (недеионизированной) и насыщенным раствором NaCl. ^[10] Также было обнаружено, что генератор работал хорошо, даже если два потока жидкости происходят 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 формировании капель воды.

Ссылки

^ Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «Об 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 г.
^ «Действие капельницы Кельвина» . ЦСИРО. Архивировано из оригинала 8 февраля 2005 г. Проверено 7 января 2009 г.
^ Марьям Заи-Моайед; Эдвард Гудман; Питер Уильямс (ноябрь 2000 г.). «Электрическое отклонение потоков полярной жидкости: неправильно понятая демонстрация». Журнал химического образования . 77 (11): 1520–1524. Бибкод : 2000JChEd..77.1520Z . дои : 10.1021/ed077p1520 . S2CID 95473318 .
^ Маркус Зан, «Самовозбуждающаяся генерация высокого напряжения переменного тока с использованием капель воды», American Journal of Physics , vol. 41, страницы 196–202 (1973). [1]
^ Альваро Г. Марин и др., «Микрофлюидная капельница для воды Кельвина». Лаборатория на чипе (DOI: 10.1039/C3LC50832C). ( https://arxiv.org/abs/1309.2866 ).
^ Y.Xie и др., «Баллистическая капельница Кельвина с приводом от давления для сбора энергии».«Лаборатория на чипе» (DOI: 10.1039/C4LC00740A).
^ Ю.Си и др., «Высокоэффективный баллистический электростатический генератор с использованием микрокапель». «Природные коммуникации» (DOI:10.1038/ncomms4575).
^ Фрэнсис, GW (2005). Электростатические эксперименты . Звездный городок: Электретная научная компания. стр. 98–100. ISBN 0-917406-13-3 .
^ Аплин, КЛ; Харрисон, Р.Г. (3 сентября 2013 г.). «Измерения атмосферного электричества лорда Кельвина» . История гео- и космических наук . 4 (2): 83–95. arXiv : 1305.5347 . Бибкод : 2013HGSS....4...83A . doi : 10.5194/hgss-4-83-2013 . ISSN 2190-5029 .
^ Десмет, С; Орбан, Ф; Гранжан, Ф (1 апреля 1989 г.). «Об электростатическом генераторе Кельвина» . Европейский журнал физики . 10 (2): 118–122. Бибкод : 1989EJPh...10..118D . дои : 10.1088/0143-0807/10/2/008 . ISSN 0143-0807 . S2CID 250798055 .

Внешние ссылки

[Thomson-1] Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «Об 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 г.

[2] «Действие капельницы Кельвина» . ЦСИРО. Архивировано из оригинала 8 февраля 2005 г. Проверено 7 января 2009 г.

[3] Марьям Заи-Моайед; Эдвард Гудман; Питер Уильямс (ноябрь 2000 г.). «Электрическое отклонение потоков полярной жидкости: неправильно понятая демонстрация». Журнал химического образования . 77 (11): 1520–1524. Бибкод : 2000JChEd..77.1520Z . дои : 10.1021/ed077p1520 . S2CID 95473318 .

[4] Маркус Зан, «Самовозбуждающаяся генерация высокого напряжения переменного тока с использованием капель воды», American Journal of Physics , vol. 41, страницы 196–202 (1973). [1]

[5] Альваро Г. Марин и др., «Микрофлюидная капельница для воды Кельвина». Лаборатория на чипе (DOI: 10.1039/C3LC50832C). ( https://arxiv.org/abs/1309.2866 ).

[6] Y.Xie и др., «Баллистическая капельница Кельвина с приводом от давления для сбора энергии».«Лаборатория на чипе» (DOI: 10.1039/C4LC00740A).

[7] Ю.Си и др., «Высокоэффективный баллистический электростатический генератор с использованием микрокапель». «Природные коммуникации» (DOI:10.1038/ncomms4575).

[8] Фрэнсис, GW (2005). Электростатические эксперименты . Звездный городок: Электретная научная компания. стр. 98–100. ISBN 0-917406-13-3 .

[9] Аплин, КЛ; Харрисон, Р.Г. (3 сентября 2013 г.). «Измерения атмосферного электричества лорда Кельвина» . История гео- и космических наук . 4 (2): 83–95. arXiv : 1305.5347 . Бибкод : 2013HGSS....4...83A . doi : 10.5194/hgss-4-83-2013 . ISSN 2190-5029 .

[10] Десмет, С; Орбан, Ф; Гранжан, Ф (1 апреля 1989 г.). «Об электростатическом генераторе Кельвина» . Европейский журнал физики . 10 (2): 118–122. Бибкод : 1989EJPh...10..118D . дои : 10.1088/0143-0807/10/2/008 . ISSN 0143-0807 . S2CID 250798055 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]