Капельница Кельвина - статическое электричество из воды

Генератору Кельвина удается удивительным образом создавать высокое напряжение. Два сборных контейнера электростатически заряжаются падающими каплями воды.

За свою долгую жизнь английский физик Уильям Томсон (1824 — 1907) успел немало сделать для развития естественных наук.

С детства будучи любознательным и творческим ребенком, в возрасте 15 лет он, учась в колледже, выиграл премию за эссе по астрономии, посвященное форме Земли. Примечателен фундаментальный вклад Томсона в термодинамику, механику и электродинамику.

В 1866 году он был посвящен в рыцари, а в 1892 году, за противодействие движению ирландского самоуправления, королева Виктория пожаловала Томсону звание «борон Кельвин» (после этого Уильям Томсон стал известен как лорд Кельвин) по названию реки Кельвин, протекающей неподалеку от Университета Глазго, в котором Томсон работал и возглавлял кафедру теоретической физики.

И сегодня мы знаем единицу измерения термодинамической температуры К - «Кельвин», названную так именно в честь Уильяма Томсона.

В 1850-е Уильям Томсон, лорд Кельвин активно работал над проблемой трансатлантической телеграфии, исследовал теорию распространения электрических импульсов по кабелю, изучал колебательный электрический разряд.

В 1867 году он изобрел водяной капельный генератор высокого напряжения, позволяющий наблюдать в воздушном промежутке между двумя металлическими банками электрические разряды с разностью потенциалов порядка 10 кВ.

Различные модификации данного генератора называют теперь не иначе как «капельница Кельвина».

Давайте рассмотрим конструкцию и принцип действия капельницы Кельвина.

Генератор состоит из нескольких частей. На изолирующей подставке на одном уровне расположены две открытые сверху металлические (хорошо проводящие электрический заряд) достаточно вместительные банки. От каждой банки сделано по металлическому отводу, каждый из которых оканчивается собственным проводящим кольцом.

Проводящее кольцо, соединенное с одной из банок, находится над второй банкой, причем вертикальная ось симметрии второй банки проходит приблизительно через центр этого кольца. Кольцо второй банки аналогичным образом расположено над первой банкой.

Банки никоим образом не контактируют друг с другом, то есть ни сами банки, ни отводы, ни кольца друг с другом не соприкасаются.

Каждая сборка из банки, отвода и кольца — это индивидуальная проводящая сборка. К этим сборкам обычно подключают искровой промежуток, так же к ним могут быть подключены лейденские банки своими внутренними обкладками, как на генераторе Вимшурста.

Верхние части капельного генератора могут выглядеть по разному. В одном случае они представляют собой две отдельные (по вместительности аналогичные нижним) проводящие банки, находящиеся на подставке или в держателях ровно над нижними банками и над соответствующими кольцами. Тогда в донышко каждой верхней банки вмонтировано по капельнице с вентилем.

Верхние банки электрически соединены друг с другом посредством проводника (например, медного провода). Кольца нижних сборок находятся близко к донышкам верхних банок.

Возможен и другой, классический вариант верхней конструкции, в котором сверху вместо двух проводящих банок находится одна общая емкость для воды, к которой приделан разветвитель на два вентиля. И в том и в другом варианте исполнения верхней части эффект будет одним и тем же.

Верхние банки (либо один общий сосуд, из которого вода будет течь в разветвитель) наполняют водой, затем чуть-чуть приоткрывают вентили так, чтобы капли воды одна за другой, струйками падали через кольца в нижние банки.

Что здесь будет происходить? Изначально нижние сборки не могут быть заряжены одинаково, поэтому совершенно случайно на одной из них заряд будет хоть чуть-чуть, но отличаться от заряда другой. В этих условиях кольца, находящиеся сверху, также будут отличаться друг от друга зарядом.

Поэтому по отношению к верхней сборке кольца станут играть роль электростатических индукторов.

В верхней сборке, из-за явления электростатической индукции, в воде произойдет разделение заряда в соответствии со знаками зарядов колец.

Если, допустим, левое кольцо оказалось заряжено положительно, то капля воды, падающей через него, станет заряжена отрицательно. На другой стороне будет, соответственно, противоположный знак заряда.

Рабочая модель электростатического генератора Кельвина:

Капля воды, падающая из левой капельницы, понесет на себе отрицательный заряд. Она упадет в отрицательно заряженную нижнюю банку, увеличив ее отрицательный заряд. Электростатическое действие колец на верхнюю сборку усиливается, так как разность потенциалов между ними также стала больше.

Капля воды, падающая из правой капельницы, несет не себе положительный заряд. Она падает в положительно заряженную правую банку, увеличивая ее положительный заряд.

Поскольку нижние банки неподвижны, форма их неизменна, электроемкость между ними постоянна, то увеличивающийся заряд на каждой банке (можно сказать, на каждой обкладке этого конденсатора своеобразной формы) — приводит к увеличению разности потенциалов между нижними банками. В конце концов на разряднике между ними проскакивает искра.

Те, кто впервые видят эту установку, обычно очень удивляются тому, что в общем-то простой по конструкции электростатический генератор Кельвина производит такой удивительный эффект.

Смотрите также: Генератор Ван де Граафа, Генератор Маркса, Электростатический генератор Тестатика

Андрей Повный