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.

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.

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.

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.

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.