Кельвиннің су тамшысымен электростатикалық генераторы
Kelvin water dropper
Кельвиннің су тамшылатқышы: 1867-де жасалған электростатикалық генератор. Судың түсуі арқылы кернеу тудырады, ұшқындар шығарады. Электростатика, физика.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кельвин су тамшысын шотланд ғалымы Уильям Томсон (Лорд Кельвин) 1867 жылы ойлап тапқан. Кельвин бұл құрылғыны су тамшылайтын конденсатор деп атаған. Бұл құрылғы Кельвин гидроэлектр генераторы, Кельвин электростатикалық генераторы немесе Лорд Кельвиннің найзағайы деп те аталады. Құрылғы құйылған суды пайдаланып, электрлік индукция арқылы өзара байланысқан, қарама-қарсы зарядталған жүйелер арасында кернеулік айырмашылықтар тудырады. Бұл әрі қарай электр дуысының ұшқын түрінде разрядталуына алып келеді. Ол физика білімінде электростатика принциптерін көрсету үшін қолданылады.
The Kelvin water dropper, invented by Scottish scientist William Thomson (Lord Kelvin) in 1867, is a type of electrostatic generator. Kelvin referred to the device as his water dropping condenser. The apparatus is variously called the Kelvin hydroelectric generator, the Kelvin electrostatic generator, or Lord Kelvin's thunderstorm. The device uses falling water to generate voltage differences by electrostatic induction occurring between interconnected, oppositely charged systems. This eventually leads to an electric arc discharging in the form of a spark. It is used in physics education to demonstrate the principles of electrostatics.
Сипаттама
Типикалық құрылғысы 1-суретте көрсетілген. Су немесе басқа өткізгіш сұйықтық (жоғары, сұр) екі шлангқа қосылады, олар екі ағын түсіріп, тамшыларды екі қабылдағышқа немесе ыдысқа (төменгі, көк және қызыл) түсіреді. Әрбір ағын (бір-біріне тиместен) металл сақина немесе ашық цилиндр арқылы өтеді, ол қарама-қарсы ыдысқа электрленген күйде қосылған; сол жақ сақина (қызыл) оң жақ ыдысқа, ал оң жақ сақина (көк) сол жақ ыдысқа қосылады. Ыдыстар бір-бірінен және электрлік жерден электрлік оқшауланған болуы керек. Сол сияқты, сақиналар да бір-бірінен және сыртқы ортадан электрлік оқшауланған болуы керек. Ағындар ыдыстарға жеткенге дейін жеке тамшыларға бөлінуі тиіс. Әдетте, ыдыстар металдан жасалады және сақиналар сымдар арқылы оларға қосылады. Бұл құрылғының қарапайым құрастырылуы оны физика білімінде студенттер үшін зертханалық тәжірибе ретінде кең таралған етеді.
A typical setup is shown in Fig. 1. A reservoir of water or other conducting liquid (top, grey) is connected to two hoses that release two falling streams of drops, which land in two buckets or containers (bottom, blue and red). Each stream passes (without touching) through a metal ring or open cylinder which is electrically connected to the opposite receiving container; the left ring (red) is connected to the right bucket, while the right ring (blue) is connected to the left bucket. The containers must be electrically insulated from each other and from electrical ground. Similarly, the rings must be electrically isolated from each other and their environment. The streams must break into separate droplets before reaching the containers. Typically, the containers are made of metal and the rings are connected to them by wires. The simple construction makes this device popular in physics education as a laboratory experiment for students.
Жұмыс істеу қағидаттары
Қос бөшке арасындағы электр зарядының бастапқы айырмашылығы әрқашан болады, себебі бөшкелер бір-бірінен оқшауланған, ал зарядтау процесін бастау үшін осы айырмашылық қажет. Сондықтан, оң бөшкеде шамалы оң заряд бар деп есептейік. Сол бөшкеге қосылғандықтан, сол жақ сақинада да оң заряд болады. Сол жақ сақинадағы заряд Кулонның электростатикалық тартылысы арқылы судағы теріс зарядтарды (иондарды) сол жақ ағысқа тартады. Сол жақ ағыстан тамшы үзілгенде, ол теріс зарядты алып кетеді. Теріс зарядталған су тамшысы сол бөшкеге (сол жақтағы) түскенде, ол бөшкеге де, оған жалғасқан сақинаға (оң жақтағы) да теріс заряд береді. Оң жақ сақина теріс заряд алған соң, оң жақ ағысқа оң зарядты тартады. Ағыстан тамшылар үзілгенде, олар оң зарядты оң бөшкеге жеткізеді, осылайша бөшкедегі оң заряд одан да артады. Осылайша, оң зарядтар оң жақ ағысқа тартылады, ал оң заряд оң зарядталған оң бөшкеге құйылады. Теріс зарядтар сол жақ ағысқа тартылады, ал теріс заряд теріс зарядталған сол бөшкеге құйылады. Суда жүзеге асатын зарядтың бөліну процесі электростатикалық индукция деп аталады. Әр бөшкеде жиналатын заряд неғұрлым жоғары болса, сақиналардағы электр потенциалы да соғұрлым жоғары болады, және электростатикалық индукция процесі де тиімдірек болады. Индукция процесі кезінде, қоректендіру желілеріндегі судың ішінде оң немесе теріс иондар түрінде электр тогы ағып өтеді. Бұл судың ағып өтуінен және сақиналар арқылы өтіп, контейнерлерге бара жатқанда тамшыларға айналуынан бөлек. Мысалы, оң жақтағы теріс зарядталған сақинаға су жақындағанда, судағы бос электрондар су ағынына қарсы сол жаққа қарай оңай жылжуы мүмкін. Соңында, екі бөшке де жоғары зарядталғанда, әртүрлі әсерлер байқалуы мүмкін. Екі бөшке немесе сақина арасында электр ұшқыны пайда болып, қысқа уақытқа арк түзіп, әр бөшкедегі зарядты азайтуы мүмкін. Егер сақиналар арқылы судың тұрақты ағысы болса және ағыстар сақиналардың ортасында дәл орналаспаса, Кулон заңы бойынша қарама-қарсы зарядтардың электростатикалық тартылысынан әр ұшқынға дейін ағыстардың бұрылуын байқауға болады. Зарядтау артаған сайын, ағыстағы таза зарядтардың өзін-өзі тебуінен ағын таралып кетуі мүмкін. Егер су ағысы бөшкелердің жанында тамшыларға бөлінуге реттелген болса, тамшылар бөшкелерге тартылып, оларға жанасып, өздерінің зарядын қарама-қарсы зарядталған бөшкелерге түсіруі мүмкін, бұл жүйенің сол жағындағы зарядты азайтады. Бұл жағдайда да, бөшкелер оларға құлайтын тамшыларды электростатикалық түрде кері итеруді бастайды және тамшыларды бөшкелерден алыстатуы мүмкін. Осы әсерлердің әрқайсысы құрылғыға жететін кернеуді шектейді. Бұл құрылғыдан алынатын кернеу киловольт деңгейіне жете алады, бірақ зарядтың мөлшері аз болғандықтан, адамдар үшін, мысалы, кілемде аяқтарын сырғытып жүруден пайда болатын статикалық электр разрядынан артық қауіп жоқ. Бөшкелерде жиналған қарама-қарсы зарядтар электр потенциалдық энергияны көрсетеді, бұл олардың арасында ұшқын өткен кезде жарық және жылу түрінде босатылатын энергиямен анықталады. Бұл энергия судың құлауы кезінде босатылатын гравитациялық потенциалдық энергиядан келеді. Зарядталған құлайтын су тамшылары ұқсас зарядталған контейнерлердің қарама-қарсы электр өрісіне қарсы жұмыс істейді, бұл оларға жоғары күш түсіреді, гравитациялық потенциалдық энергияны электр потенциалдық энергиясына және қозғалыс кинетикалық энергиясына айналдырады. Су бөшкелерге құйғанда кинетикалық энергия жылу түрінде ысырап болады, сондықтан электр энергиясын өндіруші ретінде Келвин машинасы өте тиімсіз. Дегенмен, жұмыс істеу принципі басқа гидроэлектростанциялардың да принципімен бірдей. Әрқашан энергия сақталады.
A small initial difference in electric charge between the two buckets, which always exists because the buckets are insulated from each other, is necessary to begin the charging process. Suppose, therefore, that the right bucket has a small positive charge. Now the left ring also has some positive charge because it is connected to the bucket. The charge on the left ring will attract negative charges in the water (ions) into the left hand stream by the Coulomb electrostatic attraction. When a drop breaks off the end of the left hand stream, the drop carries a negative charge with it. When the negatively charged water drop falls into its bucket (the left one), it gives that bucket and the attached ring (the right one) a negative charge. Once the right ring has a negative charge, it similarly attracts positive charge into the right hand stream. When drops break off the end of that stream, they carry positive charge to the positively charged bucket, making that bucket even more positively charged. Thus positive charges are attracted to the right hand stream by the ring, and positive charge drips into the positively charged right bucket. Negative charges are attracted to the left hand stream and negative charge drips into the negatively charged left bucket. This process of charge separation that occurs in the water is called electrostatic induction. The higher the charge that accumulates in each bucket, the higher the electrical potential on the rings and the more effective this process of electrostatic induction is. During the induction process, there is an electric current that flows in the form of positive or negative ions in the water of the supply lines. This is separate from the bulk flow of water that falls through the rings and breaks into droplets on the way to the containers. For example, as water approaches the negatively charged ring on the right, any free electrons in the water can easily flee toward the left, against the flow of water. Eventually, when both buckets have become highly charged, several different effects may be seen. An electric spark may briefly arc between the two buckets or rings, decreasing the charge on each bucket. If there is a steady stream of water through the rings, and if the streams are not perfectly centered in the rings, one can observe the deflection of the streams prior to each spark due to the electrostatic attraction via Coulomb's law of opposite charges. As charging increases, a smooth and steady stream may fan out due to self repulsion of the net charges in the stream. If the water flow is set such that it breaks into droplets in the vicinity of the rings, the drops may be attracted to the rings enough to touch the rings and deposit their charge on the oppositely charged rings, which decreases the charge on that side of the system. In that case also, the buckets will start to electrostatically repel the droplets falling towards them, and may fling the droplets away from the buckets. Each of these effects will limit the voltage that can be reached by the device. The voltages reached by this device can be in the range of kilovolts, but the amounts of charge are small, so there is no more danger to persons than that of static electrical discharges produced by shuffling feet on a carpet, for example. The opposite charges which build up on the buckets represent electrical potential energy, as shown by the energy released as light and heat when a spark passes between them. This energy comes from the gravitational potential energy released when the water falls. The charged falling water drops do work against the opposing electric field of the like charged containers, which exerts an upward force against them, converting gravitational potential energy into electrical potential energy, plus motional kinetic energy. The kinetic energy is wasted as heat when the water drops land in the buckets, so when considered as an electric power generator the Kelvin machine is very inefficient. However, the principle of operation is the same as with other forms of hydroelectric power. As always, energy is conserved.
Егжей-тегжейлер
Егер шелектер металл өткізгіштер болса, онда жиналған заряд суда емес, металлдың сыртында орналасады. Бұл электрлік индукция процесінің бір бөлігі және осымен байланысты "Фарадейдің мұз шелекшесі" мысалы. Сондай-ақ, Кельвиннің су тамшылағышындағыдай, үлкен таза заряды бар үлкен металл денесінің ортасына шағын мөлшерде заряд әкелу идеясы, ван де Графф генераторының жұмыс істеуімен байланысты физикаға негізделген. Жоғарыда айтылған мәліметтер зарядталған тамшылардың түсуіне қатысты. Индуктивтік зарядтау эффектілері су ағыны үздіксіз болғанда пайда болады. Өйткені, зарядтың ағыны мен бөлінуі су ағындары сақиналарға жақындағанда басталады, сондықтан су сақиналардан өткен кезде оның құрамында таза заряд болады. Тамшылар пайда болғанда, әрбір тамшыда белгілі бір мөлшерде заряд қалады, себебі гравитация оны сол сияқты зарядталған ыдысқа тартады. Егер ыдыстар металлдан жасалған болса, сымдар металға тікелей бекітілуі мүмкін. Әйтпесе, әрбір сымның ыдысқа жақын ұшы суға енгізілуі керек. Соңғы жағдайда заряд ыдыстардың сыртында емес, судың бетінде орналасады. Аппаратты екінен астам тамшы ағынына дейін кеңейтуге болады. 2013 жылы Твенте университетінің (Нидерланды) бірлескен тобы Кельвиннің су тамшылағышының микрофлюидтік нұсқасын құрастырды, ол гравитацияның орнына пневматикалық күшті пайдаланып, микрометрлік өлшемдегі су тамшыларын зарядтауға, деформациялауға және бұзуға қабілетті электр кернеуін тудырады. Бір жылдан кейін олар микрофлюидтік Кельвин су тамшылағышының тағы бір нұсқасын жасады, онда металл нысанаға микроөлшемді сұйық ағыны (кейін микротамшыларға бөлінетін) жіберілді, нәтижесінде максималды тиімділік 48% құрады.
If the buckets are metal conductors, then the built up charge resides on the outside of the metal, not in the water. This is part of the electrical induction process, and is an example of the related "Faraday's ice bucket". Also, the idea of bringing small amounts of charge into the center of a large metal object with a large net charge, as happens in Kelvin's water dropper, relies on the same physics as in the operation of a van de Graaff generator. The discussion above is in terms of charged droplets falling. The inductive charging effects occur while the water stream is continuous. This is because the flow and separation of charge occurs already when the streams of water approach the rings, so that when the water passes through the rings there is already net charge on the water. When drops form, some net charge is trapped on each drop as gravity pulls it toward the like charged container. When the containers are metal, the wires may be attached to the metal. Otherwise, the container end of each wire must dip into the water. In the latter case, the charge resides on the surface of the water, not outside of the containers. The apparatus can be extended to more than two streams of droplets. In 2013, a combined group from the University of Twente (the Netherlands) constructed a microfluidic version of the Kelvin water dropper, which yields electrical voltages able to charge, deform and break water droplets of micrometric size by just using pneumatic force instead of gravity. A year later, they developed another version of a microfluidic Kelvin water dropper, using a microscale liquid jet (which then broke into microdroplets) shot onto a metal target, which yielded a maximum 48% efficiency.
Эксперименттік зерттеулер
Келвин электростатикалық генераторын әр түрлі бақыланатын жағдайларда жүргізілген зерттеулер, оның әдеттегі сумен, дистильденген сумен (деионизацияланбаған) және NaCl қаныққан ерітіндісімен жұмыс істейтінін көрсетті. Генератор екі сұйық ағыны түрлі электрлік оқшауланған ыдыстардан келген жағдайда да тиімді жұмыс істеді. Су тамшыларының қалыптасуы кезінде оң сутек ионы мен теріс гидроксил ионының бөлінуі нәтижесінде электр заряды пайда болатын модель ұсынылды.
Investigations of the Kelvin electrostatic generator under various controlled conditions showed that it operated with tap water, distilled water (non deionised) and a saturated solution of NaCl. It was also found that the generator worked well even if the two liquid streams originate from different electrically insulated reservoirs. A model was proposed in which the electric charge results from the separation of the positive aqueous hydrogen ion and the negative aqueous hydroxyl ion as the water droplets form.