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.

Как устроена и функционирует капельница Кельвина

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.

Kapelnitsa Kelvina 2

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.

Kapelnitsa Kelvina 3

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».

Kapelnitsa Kelvina 4

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.