Капельница Кельвина , изобретенная шотландским ученым Уильямом Томсоном (лорд Кельвин) в 1867 году, [1] является типом электростатического генератора . Кельвин называл это устройство конденсатором капель воды . Аппарат по-разному называют гидроэлектрическим генератором Кельвина , электростатическим генератором Кельвина или грозой лорда Кельвина . Устройство использует падающую воду для создания разности напряжений посредством электростатической индукции, возникающей между взаимосвязанными, противоположно заряженными системами. Это в конечном итоге приводит к электрическому дуговому разряду в форме искры. Он используется в физическом образовании для демонстрации принципов электростатики .
Типичная установка показана на рис. 1. Резервуар с водой или другой проводящей жидкостью (вверху, серый) соединен с двумя шлангами, которые выпускают два падающих потока капель, которые попадают в два ведра или контейнера (внизу, синий и красный). Каждый поток проходит (не касаясь) через металлическое кольцо или открытый цилиндр, который электрически соединен с противоположным приемным контейнером; левое кольцо (красное) соединено с правым ведром, а правое кольцо (синее) соединено с левым ведром. Контейнеры должны быть электрически изолированы друг от друга и от электрического заземления. Аналогично кольца должны быть электрически изолированы друг от друга и от окружающей среды. Потоки должны распадаться на отдельные капли, прежде чем достигнуть контейнеров. Обычно контейнеры изготавливаются из металла, а кольца соединяются с ними проводами.
Простая конструкция делает это устройство популярным в преподавании физики в качестве лабораторного эксперимента для студентов.
Небольшая начальная разница в электрическом заряде между двумя ведрами, которая всегда существует, поскольку ведра изолированы друг от друга, необходима для начала процесса зарядки. Предположим, что правое ведро имеет небольшой положительный заряд. Теперь левое кольцо также имеет некоторый положительный заряд, поскольку оно соединено с ведром. Заряд на левом кольце будет притягивать отрицательные заряды в воде ( ионы ) в левый поток с помощью кулоновского электростатического притяжения . Когда капля отрывается от конца левого потока, капля несет с собой отрицательный заряд. Когда отрицательно заряженная капля воды падает в свое ведро (левое), она дает этому ведру и прикрепленному кольцу (правое) отрицательный заряд.
Как только правое кольцо имеет 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 к правому потоку кольцом, и положительный заряд капает в положительно заряженное правое ведро. Отрицательные заряды притягиваются к левому потоку, и 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 существует электрический ток, который течет в форме положительных или отрицательных ионов в воде линий подачи. Это отделено от основного потока воды, который падает 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 бежать влево, против течения воды.
В конце концов, когда оба ведра станут сильно заряженными, можно увидеть несколько различных эффектов. Электрическая искра может кратковременно проскакивать между двумя ведрами или кольцами, уменьшая заряд на каждом ведре. Если через кольца течет постоянный поток воды, и если потоки не идеально отцентрированы в кольцах, можно наблюдать отклонение потоков перед каждой искрой из-за электростатического притяжения по закону Кулона 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 притягиваться к кольцам достаточно сильно, чтобы коснуться колец и отложить свой заряд на противоположно заряженных кольцах, что уменьшает заряд на этой стороне системы. В этом случае также ведра начнут электростатически отталкивать капли, падающие на них, и могут отбрасывать капли от ведер. Каждый из этих эффектов ограничит напряжение, которое может быть достигнуто устройством. Напряжение, достигаемое этим устройством, может находиться в диапазоне киловольт, но величина заряда невелика, поэтому оно не представляет большей опасности для человека, чем разряды статического электричества, возникающие, например, при шарканье ног по ковру.
Противоположные заряды, которые накапливаются на ведрах, представляют собой электрическую потенциальную энергию , как показано энергией, высвобождаемой в виде света и тепла, когда искра проходит между ними. Эта энергия исходит из 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 гравитационную потенциальную энергию в электрическую потенциальную энергию, плюс кинетическую энергию движения. Кинетическая энергия теряется в виде тепла, когда капли воды приземляются в ведрах, поэтому, если рассматривать машину Кельвина как генератор электроэнергии, она очень неэффективна. Однако принцип работы такой же, как и у других форм гидроэлектроэнергии . Как всегда, энергия сохраняется.
Если ведра являются металлическими проводниками, то накопленный заряд находится снаружи металла, а не в воде. Это часть процесса электрической индукции и пример связанного с ним « ледяного ведра Фарадея ». Кроме того, идея переноса небольших количеств 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 .
Обсуждение выше касается падения заряженных капель. Эффекты индуктивной зарядки возникают, пока поток воды непрерывен. Это происходит потому, что поток и разделение заряда происходят уже тогда, когда потоки воды приближаются к кольцам, так что когда вода проходит через кольца, на воде уже есть чистый заряд. Когда образуются капли, некоторый чистый заряд захватывается каждой каплей, поскольку гравитация тянет ее к одноименно заряженному контейнеру.
Если контейнеры металлические, провода могут быть прикреплены к металлу. В противном случае конец каждого провода, обращенный к контейнеру, должен быть погружен в воду. В последнем случае заряд находится на поверхности воды, а не снаружи 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 вырабатывает электрическое напряжение, способное заряжать, деформировать и разбивать капли воды микрометрического размера, используя только пневматическую силу вместо силы тяжести. [5] Год спустя они разработали еще одну версию микрожидкостной капельницы воды Кельвина, [6] используя микромасштабную струю жидкости (которая затем распадалась на микрокапли), выстреливаемую на металлическую мишень, что дало максимальную эффективность 48%. [7]
В De Magnete , 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 теперь обычно называют конусами Тейлора .
Другие ранние исследования, отмечающие взаимодействие статического электричества с водой и изложенные на английском языке, включают:
К 1840-м годам удалось продемонстрировать, что потоки воды могут переносить электрический заряд, что потоки, несущие одинаковый заряд, отталкиваются, а потоки, несущие разноименный заряд, притягиваются. [8] Также удалось продемонстрировать, что физическое разделение заряда, то есть разделение заряда на различные 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 проведения измерений атмосферного электричества. [9]
Исследования электростатического генератора Кельвина в различных контролируемых условиях показали, что он работал с водопроводной водой, дистиллированной водой (недеионизированной) и насыщенным раствором NaCl. [10] Было также обнаружено, что генератор работал хорошо, даже если два потока жидкости исходили из разных электрически изолированных резервуаров. Была предложена модель, в которой электрический заряд возникает в результате разделения положительного водного иона водорода и отрицательного водного иона гидроксила при образовании капель воды.