켈빈 워터드롭퍼

Kelvin water dropper

1867년 스코틀랜드 과학자 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 발명한 켈빈 워터 드로퍼는 정전기 발생기의 일종이다.[1] 켈빈은 그 장치를 물을 떨어뜨리는 응축기라고 불렀다. 이 기구는 켈빈 수력 발전기, 켈빈 정전기 또는 켈빈 경의 뇌우라고 다양하게 불린다. 이 장치는 떨어지는 물을 사용하여 상호 연결된 정전기 유도에 의해 전압 차이를 발생시킨다. 이것은 결국 스파크의 형태로 방전되는 전호로 이어진다. 그것은 물리교육에서 전기학의 원리를 증명하기 위해 사용된다.

Drawing of a typical setup for the Kelvin Water Dropper
그림 1: 켈빈 드로퍼에 대한 도식 설정.

설명

일반적인 설정은 그림 1. 물이나 다른 전도성 액체(상단, 회색)가 두 개의 양동이 또는 용기(하단, 파란색, 빨간색)에 착륙하는 두 개의 떨어지는 물방울 스트림을 방출하는 두 개의 호스에 연결된다. 각 스트림은 반대쪽 수신 용기에 전기적으로 연결된 금속 링이나 오픈 실린더를 통과(접지 않고)하며, 왼쪽 링(파란색)은 오른쪽 버킷에, 오른쪽 링(빨간색)은 왼쪽 버킷에 연결된다. 컨테이너는 서로 전기 절연되어야 하며 전기 접지로부터 절연되어야 한다. 마찬가지로 고리들은 서로와 그들의 환경으로부터 전기적으로 격리되어야 한다. 개울물이 용기에 닿기 전에 분리된 물방울로 쪼개지는 것이 필요하다. 전형적으로, 용기는 금속으로 만들어지고 고리는 철사로 연결된다.

이 장치는 간단한 구조로 학생들의 실험실 실험으로 물리학 교육에서 인기가 있다.

작동 원리

1918년 버전의 기계.
켈빈의 1867년 그림이야
교육용으로 판매되는 기계의 복제본.
켈빈의 원래 기계에서는, 양동이 대신, 충전 전극을 통해 떨어진 후, 방울들이 금속 깔때기에 떨어져, 전하를 모지만 물이 통과하도록 한다. 전하는 2개의 Leyden 항아리 콘덴서에 저장된다(큰 원통형 물체)

양동이가 서로 절연되어 있기 때문에 항상 존재하는 양동이의 작은 초기 전하 차이는 충전 과정을 시작하기 위해 필요하다. 따라서 오른쪽 버킷에 작은 양의 전하가 있다고 가정해 보십시오. 이제 왼쪽 고리도 버킷에 연결되어 있기 때문에 약간의 양전하를 가지고 있다. 왼쪽 링의 전하가 쿨롱 정전기 흡인에 의해 물(이온)의 음전하를 왼쪽 스트림으로 끌어들인다. 낙하물이 좌천 끝에서 떨어지면 낙하물이 음전하를 띠게 된다. 음전하를 띤 물방울이 양동이(왼쪽)에 떨어지면 그 양동이와 부착된 고리(오른쪽)에 음전하를 준다.

일단 우측 링에 음전하가 걸리면, 유사하게 우측 스트림에 양의 전하를 끌어들이게 된다. 물방울이 그 물줄기의 끝을 끊으면 양전하를 띤 양전하를 양전하 양전하로 운반해 그 양전하를 더욱 양전하로 만든다.

따라서 양전하가 링에 의해 우측 스트림에 끌리고 양전하가 양전하 우측 버킷으로 떨어진다. 음전하가 좌측 스트림에 끌리고 음전하가 음전하 좌측 버킷으로 떨어진다. 이 물에서 발생하는 전하 분리 과정을 정전기 유도라고 한다. 각 버킷에 축적되는 전하가 높을수록 고리의 전위성이 높아지며 이러한 정전기유도 과정이 더욱 효과적이다.[2] 유도 과정 중에 공급 라인의 물에서 양이나 음의 이온 형태로 흐르는 전류가 있다. 이것은 고리를 통해 떨어져 용기로 가는 길에 물방울이 되는 물의 대량 흐름과는 별개다. 예를 들어, 물이 오른쪽의 음전하 고리에 접근할 때, 물 속의 자유 전자는 물의 흐름에 맞서 왼쪽으로 쉽게 도망칠 수 있다.

결국, 두 버킷 모두 고충전 상태가 되었을 때, 몇 가지 다른 효과가 나타날 수 있다. 전기 스파크는 두 버킷 또는 링 사이에서 잠시 아크를 형성하여 각 버킷의 전하를 감소시킬 수 있다. 고리를 통해 끊임없이 흐르는 물이 있고, 물줄기가 고리에 완벽하게 중심을 잡지 못하면, 반대 전하의 쿨롱 법칙을 통해 정전기 흡인력으로 인해 각각의 불꽃에 앞서 개울의 편향을 관찰할 수 있다.[3] 충전이 증가함에 따라, 스트림의 순 전하 자체 반발로 인해 부드럽고 꾸준한 스트림이 방출될 수 있다. 만약 물의 흐름이 링 근처에서 물방울로 부서지도록 설정된다면, 방울들이 링에 닿을 정도로 링에 끌리고 반대로 충전된 링에 충전되어 시스템의 전하가 감소할 수 있다. 이 경우, 양동이는 자신들을 향해 떨어지는 물방울을 정전기적으로 밀어내기 시작할 것이고, 물통에서 물방울을 튕겨낼 수도 있다. 이러한 각각의 영향은 장치에 의해 도달할 수 있는 전압을 제한한다. 이 장치가 도달하는 전압은 킬로볼트 범위 내에 있을 수 있지만 전하의 양은 적기 때문에 예를 들어 카펫에서 발을 흔들면서 발생하는 정전기에 비해 사람에게 더 큰 위험은 없다.

양동이에 쌓이는 반대 전하가 전기 전위 에너지를 나타내는데, 이는 불꽃이 양동이의 사이를 통과할 때 빛과 열로 방출되는 에너지로 나타난다. 이 에너지는 물이 떨어질 때 방출되는 중력 전위 에너지에서 나온다. 충전된 낙하 물방울은 중력 전위 에너지를 전기 전위 에너지와 운동 에너지를 더하여 전기 전위 에너지로 변환시키면서 유사 충전 용기의 반대되는 전기장에 대해 작용한다. 운동 에너지는 물이 양동이에 떨어질 때 열로 낭비되기 때문에 전기 발전기로 간주할 때 켈빈 기계는 매우 비효율적이다. 그러나 운전원리는 다른 형태의 수력발전과 동일하다. 항상 그렇듯이 에너지는 보존된다.

세부 사항

그림 3: 2014년 캠브리지 과학 축제에 설치된 켈빈 드로퍼

버킷이 금속 도체일 경우, 내장된 전하가 물이 아닌 금속 외부에 있다. 이는 전기유도 과정의 일부로서, 관련 「파래데이 아이스 버킷」의 예다. 또한 켈빈의 물방울에서 일어나는 것처럼 순전하가 큰 큰 금속 물체의 중심부로 소량의 전하를 가져 온다는 생각은 판 드 그라프 발전기의 운용에서와 같은 물리학에 의존한다.

위의 논의는 충전된 물방울이 떨어지는 측면에서 이루어진다. 유도 충전 효과는 물줄기가 지속되는 동안 발생한다. 이는 이미 물의 흐름이 고리에 접근할 때 전하의 흐름과 분리가 발생하기 때문에 물이 고리를 통과할 때 이미 물 위에 순전하가 있기 때문이다. 방울이 형성되면 중력이 그것을 같은 충전 용기 쪽으로 끌어당기면서 각 방울에 약간의 순 전하가 끼인다.

컨테이너가 금속인 경우, 와이어가 금속에 부착될 수 있다. 그렇지 않으면 각 와이어의 용기 끝은 물에 담가야 한다. 후자의 경우 전하가 용기의 바깥쪽이 아닌 수면에 위치한다.

그 기구는 세 개 이상의 물방울로 확장될 수 있다.[4]

2013년, Twitene 대학교(네덜란드)의 연합 그룹은 중력 대신 공압력을 사용하여 마이크로미터 크기의 물방울을 충전, 변형 및 파괴할 수 있는 전기 전압을 산출하는 미세유체 버전을 만들었다.[5] 1년 후, 그들은 미세 유체 켈빈 워터 드로퍼의 또 다른 버전을 개발했는데,[6] 그것은 마이크로 스케일 액체 제트(그 후 마이크로 드로렛에 침입)가 금속 표적에 쏘아져 최대 48%의 효율을 냈다.[7]

역사적 배경

1600년에 출판된 De Magnete에서 Gilbert는 호박에 의해 생성된 정전기와 물과의 상호작용에 대한 연구를 포함했다. 그는 현재 일반적으로 테일러 원뿔이라고 불리는 물 위에 원뿔 구조가 형성되는 것을 관찰했다.

물과 정전기의 상호작용을 주목하며 영어로 보고된 다른 초기 연구는 다음과 같다.

  • 프랜시스 하우크스비 "피시코-다양한 주제에 대한 기계실험"(1719)
  • 윌리엄 왓슨, "전력의 본질과 속성을 설명하기 위한 실험과 관찰" (MDCCXLVI) (1741)
  • 존 테오필루스 데사굴리에스, "전기에 관한 논문" 이니스와 롱맨, 런던 MDCCXLII (1742)
  • 조셉 프리스틀리 " , , Volumes I, II, III (MDCLXVII) (1747년)에 의한 원래의 실험에 의한 전기의 역사와 현황
  • 제임스 퍼거슨, "전기 소개", W. 스트라한, T. Cadell, London MDCLXX (1770)
  • 조지 애덤스 "전기에 관한 에세이" 런던 (1785년)
  • 티베리우스 카발로 "원래 실험으로 이론과 실전에 관한 완전한 전기 논문" 제1권 및 제2권 (MDCCXCV) (1795)
  • 존 커트버슨 "실용 전기" J. 캘로우, 런던 (1807)
  • 조지 존 싱어 "전기 및 전기 화학 원소" 롱만, 허스트, 리스, 오르메, 브라운, 파터노스터 로 1814번길
  • 조지 W. 프랜시스 "정전기 실험" (1844년)
  • 헨리 민친 노아드 "A Manual of Electric" 2권(1857년)

1840년대에 이르러 물줄기는 전하를 운반할 수 있고, 전하를 마치 전하를 운반하는 것처럼 흐르는 시냇물은 물리치고, 전하와 달리 운반되는 시냇물은 끌어당긴다는 것을 증명할 수 있었다.[8] 또한 정전기에 의해 물체 내에서 물리적인 전하 분리, 즉 다른 영역으로의 전하 분리가 유도될 수 있음을 증명할 수 있었다.

윌리엄 톰슨(Kelvin 경)은 1859년 축적된 지식의 기초를 이용하여 지구의 정전기장과 물의 흐름을 상호 작용시키는 장치를 만들어 전하 분리와 그에 따른 전하 측정을 유발하여 대기 전기 측정을 했다.[9]

실험 연구

다양한 제어 조건 하에서 켈빈 전기 발전기를 조사한 결과 수돗물, 증류수(비이온화) 및 NaCl 포화용액으로 작동했다.[10] 또한 두 개의 액체류는 서로 다른 전기 절연 저장소에서 발생하더라도 발전기가 잘 작동한 것으로 밝혀졌다. 물방울이 형성되면서 양수 수소 이온과 음수 수산화 이온이 분리되어 전하가 발생하는 모델이 제안되었다.

참조

  1. ^ Thomson, William (November 1867). "On a self-acting apparatus for multiplying and maintaining electric charges, with applications to the Voltaic Theory". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 4. 34 (231): 391–396. Retrieved September 1, 2015.
  2. ^ "Kelvin Water Dropper activity". CSIRO. Archived from the original on 2005-02-08. Retrieved 2009-01-07.
  3. ^ Maryam Zaiei-Moayyed; Edward Goodman; Peter Williams (November 2000). "Electrical deflection of polar liquid streams: A misunderstood demonstration". Journal of Chemical Education. 77 (11): 1520–1524. Bibcode:2000JChEd..77.1520Z. doi:10.1021/ed077p1520. S2CID 95473318.
  4. ^ 마커스 잰, "물방울을 이용한 교류 고전압 생성" 미국 물리학 저널 41권, 196-202쪽(1973년) [1]
  5. ^ 알바로 G. 마린 외,'초유체 켈빈 워터 드로퍼' 칩의 랩(DOI: 10.1039/C3)LC50832C). (https://arxiv.org/abs/1309.2866).
  6. ^ Y.Xie 외, "압력 구동 탄도 켈빈의 에너지 수확용 물방울. ". "칩 위에 랩"(DOI: 10.1039/C4)LC00740A).
  7. ^ Y.Xie 등, "마이크로드롭렛을 이용한 고효율 탄도 정전기 발생기" "Nature Communications"(DOI:10.1038/ncomms4575).
  8. ^ Francis, G. W. (2005). Electrostatic Experiments. Star City: Electret Scientific Company. pp. 98–100. ISBN 0-917406-13-3.
  9. ^ Aplin, K. L.; Harrison, R. G. (2013-09-03). "Lord Kelvin's atmospheric electricity measurements". History of Geo- and Space Sciences. 4 (2): 83–95. doi:10.5194/hgss-4-83-2013. ISSN 2190-5029.
  10. ^ Desmet, S; Orban, F; Grandjean, F (1989-04-01). "On the Kelvin electrostatic generator". European Journal of Physics. 10 (2): 118–122. doi:10.1088/0143-0807/10/2/008. ISSN 0143-0807.

외부 링크