Капельница кельвина: Капельница Кельвина

Содержание

Капельница Кельвина

Андрей Щетников
«Квантик» №6, 2016

Английский физик Уильям Томсон, которому за его заслуги перед наукой британская королева пожаловала титул лорда Кельвина, придумал в 1867 году оригинальное устройство, предназначенное для разделения электрических зарядов. Оно работает за счёт падающих капель, и поэтому его называют капельницей Кельвина. Я опишу устройство такой капельницы, которую мы построили, чтобы показать её в фильме для проекта GetAClass. А вы можете воспроизвести нашу конструкцию своими руками или придумать собственную капельницу, ещё лучше нашей.

Мы взяли кусок толстого пеноплекса и вырезали из него ножом квадратную раму размером 30×30 см. С помощью двойного скотча приклеили эту раму на подставку, а сверху приделали ещё одну пеноплексовую пластину размером 30×10 см.

Ещё вам потребуются четыре консервные банки, кусок толстой изолированной медной проволоки длиной около полуметра, две полоски жести 15×3 см и два пустых стержня от авторучки. Обе жестяные полоски надо согнуть кольцами и сшить эти кольца с помощью шила и стальных скрепок. Кольца прикрепляются к двум нижним банкам крест-накрест с помощью двух кусков проволоки, зачищенной на концах. Лучше всего соединять проволоку с жестью с помощью паяльника. Эти кольца принято называть индукторами.

На одном конце обеих трубочек от стержней надо сделать сужение, растянув их над огнём свечки. В двух верхних банках делаются отверстия на дне, и трубочки вставляются в эти отверстия так, чтобы широкие концы трубочек были направлены вверх. Места соединения банок и трубочек надо промазать воском или герметиком — они ни в коем случае не должны протекать. Испытайте эту часть устройства: по очереди заполните обе банки водой и убедитесь, что вода бежит из стержня тонкой струйкой, распадающейся на капли.

Шилом проколем тонкие отверстия в раме и вставим в них трубки. Все четыре банки прикрепим к раме двойным скотчем. Осталось соединить верхние банки ещё одним куском провода, и машина готова.

Залейте в верхние банки воду и наблюдайте. Сначала вода потечёт из трубочек вниз, так что струйки будут пролетать через индукторы. Но потом, если всё сделано правильно, вы увидите нечто удивительное: струйка под индуктором начнёт распадаться на капли, которые полетят во все стороны, а отдельные капли даже подлетят вверх по дуге и попадут на индуктор. Подведите к одной из нижних банок палец — вы почувствуете несильный электрический разряд. При этом банка, которую вы разрядили своим прикосновением, заряжается снова уже через пару секунд.

Как же работает это замечательное устройство? Допустим, что на левой нижней банке уже имелся небольшой положительный заряд. Часть этого заряда по соединительному проводу перетекает на правый индуктор. Положительный заряд на правом индукторе притягивает к себе отрицательный заряд из правой верхней банки. Оторвавшиеся капли переносят этот отрицательный заряд в правую нижнюю банку. Часть этого заряда по соединительному проводу перетекает на левый индуктор. Отрицательный заряд на правом индукторе притягивает к себе положительный заряд из левой верхней банки. Оторвавшиеся капли переносят этот положительный заряд в левую нижнюю банку. Она заряжается сильнее, значит, сильнее заряжается и связанный с ней индуктор, и процесс разделения зарядов идёт всё быстрее и быстрее, в геометрической прогрессии, то есть с каждой каплей количество заряда в банке увеличивается в одно и то же число раз.

Почему же разделение зарядов в какой-то момент прекращается? Дело в том, что падающие заряженные капли отталкиваются от своей нижней банки, имеющей электрический заряд такого же знака, и притягиваются к индуктору, заряд которого имеет противоположный знак. Кроме того, части заряженной капли отталкиваются друг от друга, капля разрывается на мелкие капельки, которые летят мимо нижней банки. Силы тяжести уже недостаточно, чтобы разделять заряды ещё сильнее, и капельница выходит на режим насыщения. Электрическое напряжение, создаваемое таким устройством, может достигать нескольких киловольт, но накапливаемые заряды невелики, и поэтому разрядный ток не является опасным.

Художник Артём Костюкевич

Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности

Оригинальный прибор – капельница Кельвина – состоит из минимального количества простых элементов и деталей. Для его сборки потребуется только три емкости достаточного объема, пара металлических колец и несколько медных электрических проводников.

В этом устройстве отсутствуют движущиеся и трущиеся части, основной недостаток которых – возможность быстрого износа. Кроме того, оно совсем не нуждается в каком-либо внешнем источнике энергии (например, в топливе или в электропитании). Все, что требуется для функционирования такого прибора – это обычная вода из-под крана, благодаря которой в определенных условиях удается получить электрическое напряжение величиной до 10 киловольт.

Устройство названо в честь британского изобретателя лорда У. Т. Кельвина, всемирно известного физика, специалиста в области механики и электродинамики. Это изобретение датируется 1867 годом.

Современное название изобретенного им прибора – «генератор электростатического напряжения» или «капельница Кельвина», способная постепенно накапливать статическое электричество.

Для понимания сути функционирования этого устройства достаточно посмотреть на его схематическое изображение и усвоить следующие моменты:

Из расположенной сверху емкости через металлические кольца разбрызгивается водная масса, разбитая на мелкие капли.
Кольцевые элементы, выполняющие функцию «поляризаторов» жидкости, а также стоящие снизу емкости соединяются между собой двумя проводниками по схеме «крест-накрест».
В момент отрыва от колец очередная капля воды получает определенный заряд, после чего, попадая в одну из сборных емкостей, отдает его общей водной массе.
Электростатическая заряженность влаги в нижней емкости несколько увеличивается.

То же самое происходит и с потенциалом каждого кольца. Полученную в результате разницу напряженностей можно использовать для пополнения заряда лейденских банок, например, или для создания искры.

Для функционирования устройства необходимо выполнение определенных условий, основное из которых – сухость окружающего воздуха. Сильно увлажненная атмосфера вызовет утечки заряда, так что накопить его будет сложно даже в течение длительного времени.

Добиться необходимого эффекта удастся лишь в том случае, если выполнить следующие обязательные требования:

Для сооружения электростатического генератора подойдут только рекомендуемые к применению материалы, описанные в инструкции.
При сборке устройства важно следить за тем, чтобы у конструкций для накапливания заряда не было острых углов и краев.
Важно правильно выдержать геометрические размеры капельницы, в значительной мере влияющие на эффективность ее работы.
Рекомендуется обратить внимание на качественную изоляцию принимающей емкости с водой, а также на возможность снижения величины разбрызгиваемых капель.

Только при выполнении всех перечисленных требований удастся получить от прибора напряжения порядка 30-40 киловольт.

Недостатки изобретения

Капельница Кельвина продолжает работать только до тех пор, пока нижняя емкость не заполнится водной массой. Этим и объясняются сложности реализации, казалось бы, простого механизма. Самое главное при решении данной проблемы – обеспечить своевременный отвод жидкости из нижней банки.

Основной недостаток электростатических генераторов состоит в следующем:

Очень низкий КПД.
Слишком малая величина накапливаемых зарядов.
Слабый рабочий ток в подключаемой нагрузке.

Устранить все эти недостатки удается в случае, если бы кому-то удалось придумать способ откачки воды и зацикливания ее потока из нижней емкости в верхнюю часть.

В качестве одного из практических вариантов может рассматриваться увеличение количества верхних/нижних банок и их объема. Существует и еще одно предложение – изготовить несколько однотипных блоков, в суммарной величине заметно повышающих эффективность системы.

Схема типовой установки

Капельница Кельвина в классическом исполнении, близком к оригиналу, приведена на фото. На нем видно, что от резервуара с водой отходят два шланга, в каждом из которых образуется ниспадающий поток капель. Оба они попадают в нижние емкости, используемые для приема разбрызгиваемой жидкости. Капли воды, не касаясь, пролетают через стальное кольцо или полый цилиндр, электрически соединенные с приемной частью.

Емкости полностью изолированы одна от другой и от земли. Кольца, через которые разбрызгивается вода, также не имеют контакта с землей и не соединяются между собой. Это делается для того, чтобы они имели определенный потенциал относительно друг друга. Благодаря этому нисходящие потоки влаги дробятся на отдельные составляющие перед тем, как собраться в приемной емкости.

Как работает капельница Кельвина

Принцип работы этого устройства проще всего пояснить на примере различных исполнений, выпускаемых еще в начале прошлого века. В точной копии изобретения после прохождения через кольца-электроды капли попадают в металлические воронки особой конструкции, собирающие заряд, но не пропускающие воду. От них полученное электричество поступает в расположенные поблизости банки Лейдена. Последние представляют собой большие цилиндрические конденсаторы, накапливающие заряд.

Сделать процесс накопления более эффективным помогает небольшая начальная разница между потенциалами двух приемных емкостей. Предположим, что правая емкость и связанное с ним кольцо имеет небольшой положительный заряд. В этом случае проходящие через него отрицательно заряженные частицы воды (анионы) начнут притягиваться, изменяя прямолинейную траекторию падения. Вследствие этого они будут отрываться от струи, накапливая минусовые электрические элементы на соприкасающихся с ними предметах. После их попадания в нижнюю емкость ей вместе с соединенным кольцом сообщается заряд.

В случае же, когда правое кольцо и связанная с ним приемная емкость имеет отрицательный заряд – они начнут притягивать положительные частички воды (катионы). При отрыве от колечка те переносят положительный заряд в соответствующую емкость, увеличивая запас накопленного в нем электричества. Все описанные эффекты приводят к тому, что при свободном падении капель воды происходит разделение зарядов.

Среди профессионалов это явление называется «электростатической индукцией». Чем больше зарядов накапливается в каждой из емкостей – тем выше электрический потенциал, переходящий на кольца.

При наличии разницы потенциалов между двумя емкостями и в случае подключения нагрузки между ними по образовавшейся цепи потечет электрический ток. В воде он будет поддерживаться за счет перемещения анионов и катионов в противоположных направлениях. При желании капельница Кельвина может обеспечить питанием любые исполнительные механизмы, работающие на постоянном токе.

Самостоятельное изготовление капельницы

Для самостоятельного изготовления этого прибора потребуется приготовить следующие детали:

Две пары использованных и ненужных консервных банок.
Кусок медной проволоки с изоляцией достаточной длины (0,5 м) и толщины.
Две полоски из жести размерами 15×3 см.
Пару пустых стержней от авторучек.

Жестяные полоски сгибаются в кольцеобразные заготовки (на фото они посередине) и в месте стыка соединяются посредством стальных скрепок. Затем они с помощью паяльника крепятся к 2-м нижним банкам по схеме «крест-накрест».

Для крепления колец, называемых «индукторами», потребуются два отрезка медной проволоки с очищенными от изоляции концами. Далее берутся две трубки от стержней, и на одном из их концов оформляется сужение (для растяжения материала проще всего воспользоваться пламенем свечи).

В 2-х верхних емкостях в дне проделываются отверстия, куда и вставляются приготовленные ранее трубки (широкими концами вверх). Места соединения элементов с банками следует уплотнить посредством воска или герметика, которые полностью исключают возможность протечек. На завершающем этапе работ останется шилом проколоть отверстия в раме, а затем вставить в них трубки. Верхние банки также соединяются отрезком медного провода.

Эффекты, наблюдаемые при электростатической индукции

К числу интересных и поучительных эффектов, наблюдаемых при разделении заряда и образовании разницы потенциалов, в первую очередь относят электрическую искру. Она представляет собой кратковременный локализованный в пространстве разряд, способный на короткое время образовать дугу между двумя электродами. После каждого проскакивания дуги величина заряда и разность потенциала между нижними емкостями уменьшаются.

Капельница Кельвина помимо этого позволяет получить интересный эффект, заключающийся в следующем. При продвижении падающего потока брызг нередко наблюдается их незначительное отклонение от вертикального направления, причиной чему служит притягивание разноименных зарядов. Кроме того, сами капли могут немного отталкиваться одна от другой из-за одноименной полярности. В заключение отметим, что все эти эффекты не имеют практического применения. Зато они позволяют более полно понять принцип действия устройства.

Устройство лорда Кельвина превращает капли в искры

по:

Том Нарди

Легко думать, что устройства, генерирующие тысячи вольт электричества, должны использовать относительно современные технологии, но на самом деле машины, способные выбрасывать искры на открытом воздухе, появились раньше, чем электрическая лампочка Эдисона. Это означает, что воссоздать их с помощью современных инструментов, методов строительства и доступности деталей, вероятно, намного проще, чем думает большинство людей. Очаровательная машина, которую [Джей Боулз] собрал для своих последних 9Видео 0007 Plasma Channel является прекрасным примером, так как оно способно вырабатывать 6000 вольт без каких-либо электронных компонентов.

Каким бы умным ни был [Джей], он не может присвоить себе эту идею. Эта честь принадлежит лорду Кельвину, который в 1867 году изобрел этот тип электростатического генератора. Его также называют «капельница Кельвина» или «гроза лорда Кельвина». любые движущиеся части.

Расходящиеся потоки означают накопление заряда.

Наш собственный [Стивен Дюфресн] написал подробное описание того, как работают эти устройства, но краткая версия заключается в том, что отрицательный и положительный заряд накапливается в двух наборах металлических индукторных колец и ведер с самой струей воды. действует как своего рода провод, по которому заряд поднимается к верхнему водохранилищу. Как [Джей] демонстрирует видео, вы узнаете, что все работает, когда потоки воды притягиваются к индукторам, через которые они проходят.

Вместо того, чтобы подключать отдельный искровой разрядник к «приемникам» воды на дне своей пипетки, [Джей] обнаружил, что ручки на металлических кружках, которые он использует, работают так же хорошо. Передвигая кружки ближе и дальше, он может регулировать зазор, а вторая регулировка позволяет ему перемещать индукторы по вертикали. Звучит так, будто нужно немного повозиться, чтобы поставить все на свои места, но как только это работает, все это очень впечатляет.

Конечно, если вы хотите серьезно заняться экспериментами с высоким напряжением, вам нужно довольно быстро перейти на менее причудливое оборудование. К счастью, [Джей] показал, что сборка надежного источника высокого напряжения не обязательно должна быть дорогой или сложной.

Posted in НаукаTagged высокое напряжение, Лорд Кельвин, Плазменный канал, вода

Как сделать капельницу Кельвина

Далее рассказывается о том, как сделать капельницу Кельвина,
устройство, преобразующее падающую воду в статическое электричество.
Это удивительное устройство и классный научный проект. Если вы незнакомы
с ним вы, возможно, захотите посмотреть
видео о том, как работает капельница Кельвина
сначала внизу этой страницы. Там же внизу есть видео
о том, как сделать капельницу Кельвина.

Детали для капельницы Кельвина

Пример и детали для капельницы Кельвина.

Соединитель резервуара (вид сверху).

Следующие элементы помечены на приведенных выше фотографиях, показывая
пример капельницы Кельвина, которую я сделал из вещей вокруг
дом.

резервуар(ы) для воды: они содержат
вода, которая падает. Заполните их водой, чтобы начать. Они
у каждого есть небольшое отверстие в нижней части спереди, через которое стекает вода.
Они могут быть изготовлены из любого материала. В приведенном выше примере я использую
контейнеры для маргарина.
У меня есть два в приведенном выше примере, потому что
катушки индуктивности и
приемники
ниже они должны быть отделены друг от друга по горизонтали. Если
у вас достаточно широкий контейнер, тогда у вас может быть только один резервуар
с двумя отверстиями внизу. Поскольку у меня их два, мне нужно было электрически
подключить в них воду. Это причина для
соединитель резервуара (см. ниже), который в
приведенный выше пример представляет собой полосу алюминиевой фольги.

соединитель резервуара: если у вас есть два
отдельные водоемы (см. выше)
затем вам нужно электрически соединить воду в них вместе.
В приведенном выше примере я использую полоску алюминиевой фольги.

индукторы: индукторы представляют собой цилиндры
или металлические кольца, через которые вода может провалиться. Это означает, что если они
из консервных банок, как в приведенном выше примере, где используются две суповые банки,
тогда и днища, и верхушки должны быть удалены. Они расположены
чтобы вода, падающая в них, была сплошным потоком и вода
выпадение из них происходит в виде капель. Невооруженным глазом это
плохо видно отдельные капли, но если вода выглядит турбулентной
невооруженным глазом это на самом деле много отдельных капель.

приемники: это металлические контейнеры
в которые падает вода. Обратите внимание, что они должны иметь достаточно широкий
отверстия, так как вода, попадающая в них, может быть широкой струей. в
примере выше они были недостаточно широкими, поэтому
теплоизоляционные контейнеры (см. ниже)
помог поймать воду.

Внутренности приемников также должны
быть металлическим, неизолированным. В приведенном выше примере я использовал банки из-под фасоли и
у них было серое покрытие внутри, которое было электроизолирующим, поэтому
Пришлось соскоблить немного снизу, чтобы обнажить металл.
Но это вызвало проблему со ржавчиной (см. фото ниже). Я оставил воду
в них в течение дня, и к концу дня я не мог получить хороший
больше искры. Ржавчина сделала открытую часть более непроводящей.
Так что я поцарапал его еще немного. Но чтобы помочь дальше, я свернул несколько
оголенный медный провод (см. фото ниже) и положить его внутрь верхним
конец вклинивается во внутренний край металлического обода банки. Снова,
это было необходимо только потому, что я использовал банки с изолирующим
покрытие внутри и был сделан из металла, который ржавеет.

Крепление ресивера с изоляцией внутри.

изоляционные контейнеры: они предназначены для
не допускайте, чтобы два приемника электрически проводили друг к другу.
Поэтому они должны быть изготовлены из электроизоляционного материала,
как пластик. В приведенном выше примере я использую контейнеры для маргарина.
Зачем приемникам связываться друг с другом, если они разнесены?
Таблица может
быть проводящим, иначе стол может намокнуть, и тогда эта вода станет проводящей.
Если ни один из них не будет иметь место, то вам не нужны эти
теплоизоляционные контейнеры. Они мне были нужны, потому что мой ламинированный стол
частично проводник и потому намок со временем.

Разрядник.

искровой разрядник: Искровой разрядник
где искра возникает после накопления электростатического заряда
на различных частях. В приведенном выше примере я сижу на
верхней части пластиковой банки, чтобы избежать любой электрической проводимости через
мой мокрый, ламинированный стол. Две стороны искрового промежутка должны быть
гладкий. Два закругленных изгиба толстых проводов, расположенных примерно на 1 или 2 миллиметра.
(от 1/16 до 1/8 дюйма) друг от друга может быть достаточно. В моем случае я
использовал два латунных шарика (см. фото выше). Настройте пространство на что угодно
работает. Начните с очень маленького интервала.

соединительные провода: выше
Например, я использую провода с зажимами типа «крокодил» на каждом конце. Использовать
все, что у вас есть. Они связаны следующим образом:

правый индуктор к левому приемнику
левый индуктор к правому приемнику
правый ресивер к правой стороне разрядника
левый ресивер к левой стороне разрядника

Советы и рекомендации по работе

Порядок сборки

Сначала подготовьте резервуар(ы). Как было сказано выше, катушки индуктивности
должны быть размещены над местом, где происходит смена падающей воды
от сплошной плавной струи до отдельных капель. Часть чего
определяет, где именно находится размер отверстия в резервуаре.
Чем больше отверстие, тем дальше этот переход от потока
каплям будет. Так что возьмите свой резервуар, сделайте небольшое отверстие и дайте
вода падает из него. Посмотрите, где происходит переход. Это далеко
достаточно вниз, чтобы вы могли разместить свой индуктор там? Это может быть только
на полдюйма ниже отверстия! Если это не достаточно далеко, сделайте отверстие
немного больше и повторите попытку. Продолжайте делать это до перехода
точка находится достаточно далеко вниз, чтобы вы могли установить индуктор на место.

Вертикальное расположение катушек индуктивности

Убедитесь, что вода, поступающая в цилиндры индуктора сверху,
сплошной поток и что воды, выходящей из него, нет. Вода
выходящие снизу должны быть отдельные капли, хотя это слишком быстро
увидеть это. Невооруженным глазом это может выглядеть как бурный поток.
Чтобы действительно увидеть капли, вам нужно сделать высокоскоростное фото.
или снять его на высокоскоростную камеру, чтобы увидеть это. Я показываю это в
горячее видео ниже на 1:00.
Так что поиграйтесь с высотой индукторов в потоке. Оба
цилиндры индуктора могут быть на разной высоте.

Размещение потока в индукторе

Для того, чтобы зарядка потока происходила, поток
должен падать достаточно близко к внутренней стенке индуктора. Несмотря на то
в приведенном выше примере я использовал консервные банки для индукторов, поток
в итоге пришлось пройти всего около 1 сантиметра (1/2 дюйма) от
внутри. Так что вам не нужны банки большого диаметра. Это займет много
корректировка, чтобы получить это право.

Размер катушек индуктивности

Катушки индуктивности нужны только для того, чтобы отражать заряд сплошного потока.
Для этого им не обязательно быть высокими.

Однако, как было сказано выше, они должны располагаться над областью, где
вода превращается из сплошной струи в отдельные капли.
Делая их немного выше, вы получаете больше
шанс оказаться в нужном месте, поскольку до тех пор, пока изменение
происходит где-то внутри них, тогда вы в порядке.

Но если вы сделаете
они высокие, а затем дать им большой диаметр тоже. Если вода превращается в
капли где-то внутри высокого индуктора, тогда капли будут
расправьте и коснитесь внутренних стенок индуктора и дайте им
противоположный электрический заряд, который они должны иметь, и заставить его не работать.

Возможное покрытие в банках ресивера

Также может быть налет внутри банок, которые стоят на столе
что может мешать. Покрытие может быть не видно. Используйте острый
предмет (например, кончик ножниц или нож), чтобы соскоблить часть покрытия
внутри этих банок. Области, которые вы очищаете, должны быть областями, которые находятся под
вода. Если банка стальная или что-либо, содержащее железо, то соскоб
часть может заржаветь со временем в воде. Если он ржавеет, то снова выбросьте его.

Искровой разрядник

Части двух объектов, обращенные друг к другу в искровом промежутке
не должно быть острых концов. Они должны быть гладкими. Вот почему я
использовал два металлических шарика. Вы можете найти закругленные ручки ящиков в фурнитуре.
магазинов, но убедитесь, что вы соскоблили любое возможное покрытие, где вы
подсоедините провода к ним и там, где они обращены друг к другу.

Поместите темный фон позади искрового промежутка, чтобы увидеть слабые искры.

Попробуйте с очень маленьким искровым зазором.

Электропроводность воды

Добавление электролита для повышения проводимости воды
не имеет существенного значения, как показано ниже
эксперимент продемонстрировал.

Ученик 8-го класса по имени Остин из северного Кентукки сделал
поэкспериментируйте, чтобы увидеть, используется ли раствор электролита с
все дополнительные ионы будут влиять на скорость заряда, и
его дед поделился со мной этими подробностями.

Тестовая установка и искра в разряднике.

Результаты теста.

На приведенной выше диаграмме показаны данные для 6 различных тестовых прогонов, 3 из которых просто
водой и 3 с соленой водой. Для каждого тестового прогона велась видеозапись.
изготовлен из искрового промежутка для наблюдения за временем между искрами
в секундах. Приведенный выше заряд показывает результаты для 10 искр за испытание.
бегать.

3 прогона соли были (насколько это возможно) 0,1
молярные, 0,2 молярные и 0,3 молярные растворы соленой воды (6, 12 и 18
граммов на литр воды.)
9-7 молярный
для чистой воды) И, как вы можете видеть, переход от 0,2 моля к 0,3 моля
вроде ничего не изменил.

Видео о том, как работает капельница Кельвина

Следующее видео демонстрирует капельницу Кельвина в действии и
дает подробное объяснение того, как это работает.

Видео о том, как сделать капельницу Кельвина

В следующем видео показано, как сделать свой собственный
Капельница Кельвина вместе с советами по устранению неполадок.