Войти
Капельница Кельвина, изобретенная шотландским ученым Уильямом Томсоном (лорд Кельвин) в 1867 г. - это тип электростатического генератора. Кельвин называл устройство своим конденсатором капель воды . Устройство по-разному называют гидроэлектрическим генератором Кельвина, электростатическим генератором Кельвина или грозой лорда Кельвина . Устройство использует падающую воду для создания разности напряжения за счет электростатической индукции, возникающей между соединенными, заряженными системами. В конечном итоге это приводит к возникновению электрической дуги в виде искры. Он используется в физическом образовании для демонстрации принципов электростатики.
Рис. 1: Схема установки капельницы Кельвина. 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 ведром, а правое кольцо (красное) соединено с левым ведром. 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.
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 от друг друга, необходимо 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.
Когда 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 к правому потоку кольцом, 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 заряда, 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 разных эффектов. электрическая искра может на короткое время образовать дугу между двумя баками или кольцами, уменьшая заряд на каждом баке. Если через кольца проходит постоянный поток воды, и если потоки не идеально центрированы в кольцах, можно наблюдать отклонение потоков перед каждой искрой из-за электростатического притяжения по закону Кулона противоположных обвинений. По мере увеличения заряда плавный и устойчивый поток может расширяться 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, например, при шарканье ногами по ковру.
Противоположные заряды, которые накапливаются на бакетах, представляют электрическую потенциальную энергию, о чем свидетельствует энергия, выделяемая в виде света и тепла, когда между ними проходит искра. Эта энергия поступает из потенциальной гравитационной энергии, выделяемой при падении воды. Заряженные падающие капли воды работают против противоположного электрического поля одинаково заряженных контейнеров, которое оказывает на них направленную вверх силу, преобразовывая потенциальную гравитационную энергию в электрическую потенциальную энергию, а также двигательную кинетическая энергия. Кинетическая энергия тратится в виде тепла, когда вода падает в ведра, поэтому, если рассматривать ее как генератор электроэнергии , машина Кельвина очень неэффективна. Однако принцип действия такой же, как и с другими формами гидроэлектрической энергии. Как всегда, энергия сохраняется.
Рис. 3: Капельница для воды по шкале Кельвина, установленная на Кембриджском фестивале науки в 2014 году Если ведра являются металлическими проводниками, то накопленный 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 большой сеткой заряд, как это происходит в капельнице Кельвина, основан 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 течении 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, уже есть чистый заряд на воде. Когда образуются капли, на каждой капле улавливается некоторый чистый заряд, поскольку сила тяжести тянет ее к одинаково заряженному контейнеру.
Если 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.
Устройство может быть расширено до более чем двух потоков капель.
В 2013 году объединенная группа из Университета Твенте (Нидерланды) сконструировала микрожидкостную версию капельницы воды Кельвина, которая создает 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, использующей микромасштабную струю жидкости (затем разбивающуюся на микрокапли) по металлической мишени, что дает максимальную эффективность 48%.
