开尔文滴水起电机

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
开尔文滴水起电机示意图

开尔文滴水起电机是一种静电起电机,於1867年由英国科学家开尔文爵士威廉·汤姆森发明。[1]开尔文将这种装置用于他的滴水冷凝器。该装置有时也被称为开尔文水力发电机开尔文静电发生器开尔文爵士的雷电[來源請求] 这个装置通过静电感应现象,[2]使用滴落的,在一个互相关联的、带相反电荷的系统中产生电压差。它唯一的用途就是在物理教学中演示静电的原理。

描述[编辑]

最简单的装置如右图所示。一个大水桶上有两个洞,每次滴下一滴水(或其他液体)。各水滴流分别通过一个导电环,并与一个桶连接。两个桶必须和彼此及对地面绝缘。同样,也必须将导电环与彼此及周围的环境电气隔离。左边的环要电气(有线)连接到右边的桶,右边的环也要连接到左边的桶。最重要的是,每个环应放置于第一滴水滴过的位置附近。

如果桶是金属(导体)的,那么导线可以连接到水桶。否则,每根导线的桶端要浸入桶中,以保证接触到桶中的水。

工作原理[编辑]

这张图出现在许多早期的教科书中,可能就是它的原始样式。水滴滴落下通过充电电极,然后落入金属漏斗中收集电荷并让水流出,而不是落入桶中​​。装置配备了莱顿瓶(圆柱形物体)以存储电荷

两个桶中,无论哪个桶带有多微小的电荷,都足以开始充电过程。因此,不妨假设左桶具有微小的正电荷。现在,因为右环也连接到了左桶,它也具有了一定的正电荷。由于静电引力,右环上的电荷会吸引水中的负电荷(离子)到右边的水流中来。当右边的水流滴落时,水滴会携带负电荷。当携带负电荷的水滴落入(右)桶中时,就会将电荷传到水桶及与它相连的(左)环上。

一旦左边的环具有了负电荷,它就会吸引正电荷到右边的水流中。当水流滴落时,水滴会携带正电荷到带正电荷的桶中,使得桶中的正电荷更多。

因此,正电荷被环吸引到左边的水流中,并滴入带正电的左桶中。负电荷被吸引到右边的水流中,并滴入带负电荷的右桶中。这个正向反馈[3] 过程使每个桶和环积累的电荷越来越多。电荷越多,静电感应就越强,所以电荷随时间呈指数增长。

最终,当两个桶的电荷升高后,就能看到几种现象。电火花可能会瞬间在桶或环之间产生,从而降低每个桶上的电荷。或者,如果不能发生这种情况,由于库仑定律,桶产生的静电力将会阻止水滴落下,并可能使水滴飞溅远离桶。水滴也可能会被带异种电荷的环吸引偏离,当距离足够远,以至于可以接触到环时,电荷就会中和,从而使电荷量降低。这些现象都会限制装置能达到的电压极限。

与其他形式的水力发电相比,最终产生的电能来自于水滴下降时释放的重力势能。大部分能量都转化为内能而耗散掉了,如当水滴滴在桶中时,因此,如果作为发电机,开尔文滴水起电机的效率非常低。

也可以将装置增加到两条以上的水滴流。[4]

在2013年,一个来自荷兰屯特大学的联合小组制造了一个微型版本的开尔文滴水起电机,能够使用气动力而不是重力来产生电压充电,并能使微米大小的水滴变形破碎。[5]

参考[编辑]

  1. ^ The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Taylor & Francis. 1867.November: 391–396. 
  2. ^ Maryam Zaiei-Moayyed, Edward Goodman, and Peter Williams. Electrical deflection of polar liquid streams: A misunderstood demonstration. Journal of Chemical Education. 2000.November, 77 (11): 1520–1524. Bibcode:2000JChEd..77.1520Z. doi:10.1021/ed077p1520. 
  3. ^ Kelvin Water Dropper activity. CSIRO. [2009-01-07]. (原始内容存档于2005-02-08). 
  4. ^ Markus Zahn. Self-excited a.c. high voltage generation using water droplets. American Journal of Physics. 1973, 41: 196-202. doi:10.1119/1.1987174. 
  5. ^ Álvaro G. Marín, Wim van Hoeve,Pablo García-Sánchez, Lingling Shui, Yanbo Xie, Marco A. Fontelos, Jan C. T. Eijkel, Albert van den Bergc and Detlef Lohsea. The microfluidic Kelvin water dropper. Lab on a chip. 2013, (13): 4303. doi:10.1039/C3LC50832C. 

外部链接[编辑]