ケルビン水滴器

ケルビン水滴器は、 1867年にスコットランドの科学者ウィリアム・トムソン（ケルビン卿）によって発明され、 [ 1 ]静電発電機 の一種です。ケルビンはこの装置を水滴コンデンサーと呼んでいました。この装置は、ケルビン水力発電機、ケルビン静電発電機、ケルビン卿の雷雨など様々な名前で呼ばれています。この装置は、落水を利用して、相互接続された反対に帯電したシステム間に発生する静電誘導によって電圧差を発生させます。これは最終的に、火花の形で放電する電気アークにつながります。これは物理教育で静電気の原理を説明するために使用されます。

ケルビンウォータードロッパーの典型的なセットアップの図
図 1: ケルビン水滴器の概略構成。

説明

一般的なセットアップを図 1 に示します。水またはその他の導電性液体のリザーバー (上部、灰色) が 2 本のホースに接続され、2 つの滴の落下ストリームを放出します。これらの滴は 2 つのバケツまたはコンテナー (下部、青と赤) に落ちます。各ストリームは、反対側の受信コンテナーに電気的に接続された金属製のリングまたはオープン シリンダーを (接触することなく) 通過します。つまり、左のリング (赤) は右のバケツに接続され、右のリング (青) は左のバケツに接続されます。コンテナーは、互いに、および電気接地から電気的に絶縁されている必要があります。同様に、リングは、リング同士およびその周囲環境から電気的に分離されている必要があります。ストリームは、コンテナーに到達する前に個別の液滴に分解される必要があります。通常、コンテナーは金属製で、リングはワイヤーでコンテナーに接続されています。

この装置は構造が簡単なため、学生の実験室実験として物理教育で人気があります。

動作原理

1918 年版のマシン。
ケルビンの 1867 年のオリジナル図面。
教育用に販売された機械のレプリカ。
ケルビンのオリジナルの装置では、バケツの代わりに、水滴は充電電極を通過した後、金属の漏斗に落ち、そこで電荷が集められますが、水は通過します。電荷は2つのライデン瓶コンデンサ（大きな円筒形の物体）に蓄えられます。

2 つのバケツ間の電荷のわずかな初期差は、バケツが互いに絶縁されているため常に存在し、充電プロセスを開始するのに必要です。したがって、右側のバケツに小さな正電荷があるとします。左側のリングもバケツに接続されているため、いくらかの正電荷を持っています。左側のリングの電荷は、クーロン静電引力によって、水（イオン）内の負電荷を左側の流れに引き付けます。水滴が左側の流れの端から落ちると、水滴は負電荷を帯びます。負に帯電した水滴がバケツ（左側）に落ちると、バケツと取り付けられたリング（右側）に負電荷を与えます。

右側のリングが負に帯電すると、同様に右側の流れに正電荷を引き寄せます。その流れの端で滴が分離すると、正電荷を正に帯電したバケツに運び、バケツはさらに正に帯電します。

したがって、正電荷はリングによって右側の流れに引き寄せられ、正電荷は正に帯電した右側のバケツに滴り落ちます。負電荷は左側の流れに引き寄せられ、負電荷は負に帯電した左側のバケツに滴り落ちます。水中で発生するこの電荷分離のプロセスは、静電誘導と呼ばれます。各バケツに蓄積される電荷​​が多いほど、リングの電位が高くなり、この静電誘導のプロセスはより効率的になります。[ 2 ] 誘導プロセスの間、供給ラインの水に正または負のイオンの形で電流が流れます。これは、リングを通過して容器に向かう途中で液滴に分解される大量の水の流れとは別のものです。たとえば、水が右側の負に帯電したリングに近づくと、水中の自由電子は水の流れに逆らって左側に簡単に逃げることができます。

最終的に、両方のバケツが高電荷を帯びると、いくつかの異なる効果が見られるようになる。2つのバケツまたはリングの間に電気火花が短時間発生し、各バケツの電荷が減少する。リングを通過する水の流れが一定で、水流がリングの中心から完全にずれている場合、クーロンの逆電荷の法則に基づく静電引力により、各火花発生前に水流が偏向するのが観察される。[ 3 ] 電荷が増加すると、水流中の正味電荷の自己反発により、滑らかで一定の水流が扇状に広がる可能性がある。水流がリング付近で液滴に分解されるように設定されている場合、液滴はリングに引き寄せられ、リングに接触して逆電荷のリングに電荷を蓄積し、システムのその側の電荷を減少させる可能性がある。この場合も、バケツは自分に向かって落下する液滴を静電的に反発し始め、液滴をバケツから弾き飛ばす可能性がある。これらの効果はそれぞれ、装置が到達できる電圧を制限する。この装置によって達する電圧はキロボルトの範囲になりますが、電荷の量は小さいので、例えばカーペットの上で足を踏み鳴らすことによって生じる静電気の放電よりも人体に対して危険となることはありません。

バケツに蓄積される反対電荷は、火花がバケツの間を通過するときに光と熱として放出されるエネルギーによって示されるように、電気的位置エネルギーを表します。このエネルギーは、水が落下するときに放出される重力位置エネルギーから生じます。落下する帯電した水滴は、同様に帯電した容器の反対電場に逆らって働き、水滴に対して上向きの力が作用し、重力位置エネルギーが電気的位置エネルギーと運動エネルギーに変換されます。運動エネルギーは、水滴がバケツに着地するときに熱として無駄になるため、発電機として考えると、ケルビンマシンは非常に非効率的です。ただし、動作原理は他の水力発電形式と同じです。常に、エネルギーは保存されます。

詳細

図3：2014年ケンブリッジ科学フェスティバルで設置されたケルビン水滴計

バケツが金属導体である場合、蓄積された電荷は水ではなく金属の外側に存在します。これは電気誘導過程の一部であり、関連する「ファラデーのアイスバケツ」の例です。また、ケルビンの水滴のように、大きな正味電荷を持つ大きな金属物体の中心に少量の電荷を流し込むというアイデアは、ヴァンデグラフ発電機の動作と同じ物理学に基づいています。

上記の議論は、帯電した液滴が落下する様子を前提としています。誘導帯電効果は、水流が連続しているときに発生します。これは、水流がリングに近づく時点で既に電荷の流れと分離が起こっているため、水がリングを通過する時点で既に水に正味電荷が存在しているからです。液滴が形成されると、重力によって同様に帯電した容器に引き寄せられるため、各液滴にはある程度の正味電荷が捕捉されます。

容器が金属製の場合、電線は金属に接続できます。そうでない場合は、各電線の容器側を水に浸す必要があります。後者の場合、電荷は容器の外側ではなく、水面上に存在します。

この装置は2つ以上の液滴流に拡張することができる。[ 4 ]

2013年、トゥエンテ大学（オランダ）の合同グループは、マイクロ流体バージョンのケルビン水滴器を構築しました。これは、重力の代わりに空気圧のみを使用して、マイクロメートルサイズの水滴を充電、変形、破壊できる電圧を生成します。 [ 5 ] 1年後、彼らはマイクロ流体ケルビン水滴器の別のバージョンを開発しました。[ 6 ]マイクロスケールの液体ジェット（その後、マイクロ液滴に分解）を金属ターゲットに噴射し、最大48％の効率を実現しました。[ 7 ]

歴史的背景

ウィリアム・ギルバートは1600年に出版された『磁石論』の中で、琥珀が生み出す静電気と水との相互作用に関する研究を取り上げました。彼は水面に円錐状の構造が形成されることを観察しました。これは現在ではテイラーコーンと呼ばれています。

静電気と水の相互作用に注目し、英語で報告されたその他の初期の研究には、次のものがあります。

  • フランシス・ホークスビー「様々な主題に関する物理機械的実験」（1719年）
  • ウィリアム・ワトソン「電気の性質と特性を説明する実験と観察」(MDCCXLVI) (1741)
  • ジョン・テオフィラス・デサグリエ、「電気に関する論文」イニーズ・アンド・ロングマン、ロンドンMDCCXLII（1742）
  • ジョセフ・プリーストリー、「電気の歴史と現状、最初の実験、第1巻、第2巻、第3巻（MDCCLXVII）（1747年）」
  • ジェームズ・ファーガソン「電気入門」W.ストラハンとT.カデル、ロンドンMDCCLXX（1770）
  • ジョージ・アダムス、「電気に関するエッセイ」、ロンドン（1785年）
  • ティベリウス・カヴァッロ『電気に関する理論と実践の完全論文集、オリジナル実験付き』第1巻と第2巻（MDCCXCV）（1795年）
  • ジョン・カスバートソン「実用電気」J.キャロウ社、ロンドン（1807年）
  • ジョージ・ジョン・シンガー「電気と電気化学の要素」ロングマン、ハースト、リース、オーム、ブラウン、パターノスター・ロウ、1814年
  • ジョージ・W・フランシス、「静電実験」（1844年）
  • ヘンリー・ミンチン・ノード、「電気の手引書」全2巻（1857年）

1840年代までには、水流が電荷を運ぶこと、同じ電荷を運ぶ水流は反発し、異なる電荷を運ぶ水流は引き寄せられることが実証されました。[ 8 ]また、静電場によって水中で物理的な電荷分離、つまり電荷を異なる領域に分離できることも実証されました。

ケルビン卿は、この蓄積された知識を基に、1859年に水流と地球の静電場との相互作用によって電荷分離を引き起こし、その後電荷を測定することで大気の電気を測定する装置を発明した。[ 9 ]

実験研究

ケルビン静電発電機を様々な制御条件下で調査した結果、水道水、蒸留水（非脱イオン水）、飽和塩化ナトリウム水溶液で動作することが示されました。[ 10 ]また、2つの液体流が異なる電気的に絶縁された貯留層から供給された場合でも、発電機は正常に動作することが分かりました。水滴の形成に伴い、正の水性水素イオンと負の水性水酸化イオンが分離することで電荷が生じるというモデルが提案されました。

参考文献

  1. ^トムソン、ウィリアム（1867年11月）「電荷を増幅・維持するための自動装置について、ボルタ電池理論への応用」ロンドン、エディンバラ、ダブリン哲学雑誌・科学ジャーナル。シリーズ4。34 （ 231）：391-396 。 2015年9月1日閲覧。
  2. ^ 「ケルビン水滴型探査機の活動」 CSIRO。2005年2月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1月7日閲覧。
  3. ^ Maryam Zaiei-Moayyed、Edward Goodman、Peter Williams (2000年11月). 「極性液体流の電気的偏向：誤解されている実証」. Journal of Chemical Education . 77 (11): 1520– 1524. Bibcode : 2000JChEd..77.1520Z . doi : 10.1021/ed077p1520 . S2CID 95473318 . 
  4. ^ Markus Zahn、「水滴を用いた自己励起交流高電圧発生」、 American Journal of Physics、第41巻、196-202ページ（1973年）。 [1]
  5. ^ Alvaro G. Marin他「マイクロ流体ケルビン水滴型デバイス」。Lab on a Chip (DOI: 10.1039/C3LC50832C). ( https://arxiv.org/abs/1309.2866 ).
  6. ^ Y.Xie他「エネルギーハーベスティングのための圧力駆動型弾道ケルビン水滴型装置」。「Lab on a Chip」（DOI: 10.1039/C4LC00740A）。
  7. ^ Y.Xie他「マイクロドロップレットを用いた高効率弾道静電発電機」『Nature Communications』（DOI:10.1038/ncomms4575）。
  8. ^フランシス、GW (2005).静電実験. スターシティ：エレクトレット・サイエンティフィック社. pp.  98– 100. ISBN 0-917406-13-3。
  9. ^ Aplin, KL; Harrison, RG (2013-09-03). 「ケルビン卿の大気電気測定」 .地理宇宙科学史. 4 (2): 83– 95. arXiv : 1305.5347 . Bibcode : 2013HGSS....4...83A . doi : 10.5194/hgss-4-83-2013 . ISSN 2190-5029 . 
  10. ^ Desmet, S; Orban, F; Grandjean, F (1989-04-01). 「ケルビン静電発電機について」 . European Journal of Physics . 10 (2): 118– 122. Bibcode : 1989EJPh...10..118D . doi : 10.1088/0143-0807/10/2/008 . ISSN 0143-0807 . S2CID 250798055 .  
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