Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Капельница Кельвина, изобретенная шотландским ученым Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) в 1867 году, является типом электростатического генератора. Сам Кельвин называл это устройство своим конденсатором с падающими каплями. Аппарат известен также как гидроэлектрогенератор Кельвина, электростатический генератор Кельвина или «гроза лорда Кельвина». Устройство использует падающую воду для создания разности потенциалов посредством электростатической индукции, возникающей между соединенными, разноименно заряженными системами. В конечном итоге это приводит к образованию электрической дуги в виде искры. Он применяется в физическом образовании для демонстрации принципов электростатики.
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.
Описание
Типичная установка показана на рис. 1. Резервуар с водой или другой проводящей жидкостью (верхний, серый) соединен с двумя шлангами, из которых вытекают два падающих потока капель, попадающих 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 (красное) соединено с правым ведром, а правое кольцо (синее) – с левым ведром. Контейнеры должны быть электрически изолированы друг от друга и от земли. Аналогично, кольца должны быть электрически изолированы друг от друга и от окружающей среды. Потоки должны распадаться на отдельные капли до достижения контейнеров. Обычно контейнеры изготавливаются из металла, а кольца соединяются с ними проводами. Благодаря простой конструкции это устройство популярно в физическом образовании как лабораторный эксперимент для студентов.
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.
Принципы работы
Небольшая начальная разница в электрическом заряде между двумя ковшами, которая всегда существует из-за изоляции ковшей друг от друга, необходима для начала процесса зарядки. Предположим, что правый ковш имеет небольшой положительный заряд. Теперь левое кольцо также имеет положительный заряд, поскольку оно соединено с ковшом. Заряд на левом кольце будет притягивать отрицательные заряды в воде (ионы) в левый поток посредством кулоновского электростатического притяжения. Когда капля отрывается от конца левого потока, она уносит с собой отрицательный заряд. Когда отрицательно заряженная капля воды попадает в ковш (левый), она заряжает этот ковш и прикрепленное к нему кольцо (правое) отрицательным зарядом. Как только правое кольцо получит отрицательный заряд, оно, в свою очередь, притягивает положительный заряд в правый поток. Когда капли отрываются от конца этого потока, они переносят положительный заряд в положительно заряженный ковш, делая его еще более положительно заряженным. Таким образом, положительные заряды притягиваются к правому потоку кольцом, и положительный заряд капает в положительно заряженный правый ковш. Отрицательные заряды притягиваются к левому потоку, и отрицательный заряд капает в отрицательно заряженный левый ковш. Этот процесс разделения зарядов, происходящий в воде, называется электростатической индукцией. Чем выше заряд, накапливающийся в каждом ковше, тем выше электрический потенциал на кольцах и тем эффективнее этот процесс электростатической индукции. Во время процесса индукции возникает электрический ток, протекающий в виде положительных или отрицательных ионов в воде в линиях подачи. Это отличается от основного потока воды, проходящего через кольца и распадающегося на капли по пути к контейнерам. Например, когда вода приближается к отрицательно заряженному кольцу справа, любые свободные электроны в воде могут легко перемещаться влево, против течения воды. В конечном итоге, когда оба ковша станут сильно заряженными, можно наблюдать несколько различных эффектов. Электрическая искра может кратковременно проскакивать между двумя ковшами или кольцами, уменьшая заряд на каждом из них. Если через кольца проходит устойчивый поток воды, и если потоки не идеально центрированы в кольцах, можно наблюдать отклонение потоков перед каждой искрой из-за электростатического притяжения, обусловленного законом Кулона для противоположных зарядов. С увеличением заряда плавный и устойчивый поток может расходиться из-за самоотталкивания чистых зарядов в потоке. Если поток воды настроен таким образом, что он распадается на капли вблизи колец, капли могут быть притянуты к кольцам настолько, чтобы коснуться их и отдать свой заряд на кольца с противоположным зарядом, что уменьшает заряд на этой стороне системы. В этом случае ковши также начнут электростатически отталкивать падающие на них капли и могут отбрасывать их от ковшей. Каждый из этих эффектов будет ограничивать напряжение, которое может быть достигнуто устройством. Напряжение, достигаемое этим устройством, может находиться в диапазоне киловольт, но количество заряда невелико, поэтому для людей нет большей опасности, чем, например, от статических электрических разрядов, возникающих при трении обуви о ковер. Противоположные заряды, накапливающиеся на ковшах, представляют собой электрическую потенциальную энергию, что проявляется в энергии, высвобождаемой в виде света и тепла при прохождении искры между ними. Эта энергия происходит от гравитационной потенциальной энергии, высвобождаемой при падении воды. Заряженные падающие капли воды совершают работу против направленного электрического поля одноименно заряженных ковшей, которое оказывает на них восходящую силу, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в электрическую потенциальную энергию плюс кинетическую энергию движения. Кинетическая энергия рассеивается в виде тепла, когда капли воды попадают в ковши, поэтому, рассматривая машину Кельвина как генератор электрической энергии, она очень неэффективна. Однако принцип ее работы аналогичен другим формам гидроэлектроэнергетики. Как всегда, энергия сохраняется.
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.
Подробности
Если ведра изготовлены из металла, то накопленный заряд располагается на внешней поверхности металла, а не в воде. Это часть процесса электрической индукции и является примером связанного с ним "ледяного ведра Фарадея". Кроме того, принцип переноса небольшого количества заряда в центр большого металлического объекта с большим чистым зарядом, как это происходит в капельнице Кельвина, основан на той же физике, что и принцип работы генератора Ван де Граафа. Ранее обсуждение велось с точки зрения падающих заряженных капель. Эффект индуктивной зарядки возникает, когда поток воды непрерывен, поскольку течение и разделение заряда происходят уже при приближении струй воды к кольцам, так что к моменту прохождения воды через кольца на ней уже присутствует чистый заряд. При образовании капель часть чистого заряда захватывается каждой каплей, и гравитация притягивает её к контейнеру с аналогичным зарядом. Если контейнеры металлические, провода можно прикрепить непосредственно к металлу. В противном случае концы проводов необходимо погружать в воду. В последнем случае заряд располагается на поверхности воды, а не снаружи контейнеров. Устройство можно расширить до более чем двух потоков капель. В 2013 году совместная группа из Университета Твенте (Нидерланды) создала микрофлюидную версию капельницы Кельвина, которая генерирует электрическое напряжение, способное заряжать, деформировать и разрушать капли воды микрометрического размера, используя только пневматическую силу вместо гравитации. Год спустя они разработали другую микрофлюидную версию капельницы Кельвина, использующую микрострую жидкости (которая затем распадается на микрокапли), направленную на металлическую мишень, что позволило достичь максимальной эффективности в 48%.
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.
Экспериментальные исследования
Исследования электростатического генератора Кельвина, проведенные в различных контролируемых условиях, показали, что он функционировал с водопроводной водой, дистиллированной водой (не деионизированной) и насыщенным раствором NaCl. Также было обнаружено, что генератор хорошо работает даже в том случае, если два потока жидкости поступают из разных электрически изолированных резервуаров. Была предложена модель, согласно которой электрический заряд возникает в результате разделения положительно заряженного иона водорода и отрицательно заряженного гидроксид-иона при формировании капель воды.
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.