開爾文滴水起電機
開爾文滴水起電機是一種靜電起電機，於1867年由英國科學家開爾文爵士威廉·湯姆森發明[1]。開爾文將這種裝置用於他的滴水冷凝器。該裝置有時也被稱為開爾文水力發電機、開爾文靜電發生器或開爾文爵士的雷電。這個裝置通過靜電感應，用滴落的水滴，在一個互相關聯的、帶相反電荷的系統中產生電壓差。它唯一的用途就是在物理教學中演示靜電的原理。
描述
一個典型的裝置如圖所示。盛有導電液體（如水或其他）的容器下有兩個洞或管子，產生兩條水流。每條水流穿過導電環但不與之接觸，然後落入兩個容器中的一個。兩個桶必須和彼此及對地面絕緣。同樣，也必須將導電環與彼此及周圍的環境電氣隔離。左邊的環要電氣（有線）連接到右邊的桶，右邊的環也要連接到左邊的桶。在水流落入容器前，必須確保將其打散成水滴。一般容器是導電的，例如金屬水桶。
工作原理
兩個桶中，無論哪個桶帶有多微小的電荷，都足以開始充電過程。因此，不妨假設右桶具有微小的正電荷。現在，因為左環也連接到了右桶，它也具有了一定的正電荷。由於（庫侖）靜電引力，左環上的電荷會吸引水中的負電荷（離子）到左邊的水流中來。當左邊的水流滴落時，水滴會攜帶負電荷。當攜帶負電荷的水滴落入（左）桶中時，就會將電荷傳到水桶及與它相連的（右）環上。
一旦右邊的環具有了負電荷，它就會吸引正電荷到右邊的水流中。當水流滴落時，水滴會攜帶正電荷到帶正電荷的桶中，使得桶中的正電荷更多。
因此，正電荷被環吸引到右邊的水流中，並滴入帶正電的右桶中。負電荷被吸引到左邊的水流中，並滴入帶負電荷的左桶中。這個正向反饋[2]過程使每個桶和環不斷積累電荷。電荷越多，靜電感應作用就越強。在這個誘導的過程中，水流中的電流以正或負離子的形式流過。在通過環到達容器之間，水滴的破裂就會將離子從水箱中帶走。如當水接近帶負電的右環時，任何自由電子都可以很容易地逆水流逃至左側。
最終，當兩個桶的電荷升高後，就可以看到一些不同的現象。電火花可能瞬間在桶或環之間產生，以降低每個桶上的電荷。如果有水源源不斷地流過環，並且不在環的正中間，由於庫侖定律中異性電荷相吸，就可以觀察到在電火花放電前，水流發生偏轉[3]。
隨着電荷的增加，由於水流中淨電荷的自身排斥，平穩的水流可能會分出許多分叉。如果水流在環的附近破碎為水滴，水滴可能會被吸引到足以碰到環，將其上所帶電荷傳到帶相反電荷的環，從而減少系統另一側的電荷。同樣在這種情況下。桶產生的靜電力將會阻止水滴落下，並可能使水滴飛濺遠離桶。這些現象都會限制裝置能達到的電壓極限。設備可產生的電壓範圍在幾千伏之內，但電荷量非常少，所以這並不比人在地毯上摩擦腳而產生的靜電放電要危險。
電荷的分離和電能的積聚最終是來源於水落下所釋放的重力勢能。落下的帶電水滴對帶同種電荷的容器做了電功，將重力勢能轉化為電勢能，再加上動生的動能。當水滴落在桶中時，大部分能量都轉化為內能而耗散掉了，因此作為發電機，開爾文滴水起電機的效率非常低。
細節
如果桶是金屬導體，那麼其中的電荷就會駐留在金屬的外側，而不是水中。這是電感應過程的一部分，其中原理與「法拉第冰桶」相似。同時，滴水起電機中將少量的電荷轉移至帶較多淨電荷的大金屬物體的想法，與范德格拉夫起電機中這麼做的物理原理相同。
上述討論的前提是落下的是帶點的液滴。然而在連續水流的情況下，感應充電效應也能發生。這是因為在水流接觸環之前，電荷的流動和分離就已經發生，因此當水通過環時，水上已經帶上了淨電荷。當水滴形成時，在重力拉着它朝向帶同種電荷的容器時，一些淨電荷被困於其中。
當容器為金屬時，可以將電線連接到金屬上。否則，每根電線的容器端必須浸入水中。後一種情況下電荷駐留在水中，而不是容器的外表面上。
也可以將裝置增加到兩條以上的水滴流[4]。
在2013年，一個來自荷蘭屯特大學的聯合小組製造了一個微型版本的開爾文滴水起電機，能夠使用氣動力而不是重力來產生電壓充電，並能使微米大小的水滴變形破碎[5]。
參考
- ^ The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Taylor & Francis. November 1867: 391–396 [2013-10-17]. （原始內容存檔於2014-09-25）.
- ^ Kelvin Water Dropper activity. CSIRO. [2009-01-07]. （原始內容存檔於2005-02-08）.
- ^ Maryam Zaiei-Moayyed, Edward Goodman, and Peter Williams. Electrical deflection of polar liquid streams: A misunderstood demonstration. Journal of Chemical Education. November 2000, 77 (11): 1520–1524 [2013-10-17]. Bibcode:2000JChEd..77.1520Z. doi:10.1021/ed077p1520. （原始內容存檔於2022-01-21）.
- ^ 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.
- ^ 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 [2013-11-03]. doi:10.1039/C3LC50832C. （原始內容存檔於2019-05-22）.
外部連結
- 開爾文滴水起電機操作演示視頻：「（[//web.archive.org/web/20160309200948/http://youtube.com/watch?v=RQX8I9ZWtPQ&feature=relatedLecture 頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 10, M.I.T. 8.02 Electricity & Magnetism, Spring [term] 2002]」（英文）。參見此視頻最後6分鐘的操作。有關該視頻的印刷材料：請參見「麻省理工學院開放課件（MIT Open Courseware）」網站；具體為課程8.02的第4節，參閱此處：https://web.archive.org/web/20100413204617/http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Physics/8-02Electricity-and-MagnetismSpring2002/DownloadthisCourse/index.htm%7B%7Ben%7D%7D。
- Youtube - 開爾文滴水起電機：實現及解釋 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
- Youtube - 開爾文滴水起電機及其如何工作 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
- 裝置的詳細描述，及如何組裝你自己的開爾文滴水起電機。 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
- 樂高搭建的開爾文滴水起電機 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）