XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Возможность преобразования статического заряда, полученного с помощью Капельницы Кельвина в электрический ток

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Князева В.И. 1

---

1ГБОУ СОШ №2 г.Нефтегорска Самарской области

Рыбакова Т.А. 1

---

1ГБОУ СОШ №2 г.Нефтегорска Самарской области

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В 1786 г. у водопадов Швейцарии было замечено, что в природных условиях проиходит электризация жидкости вследствие её дробления на капли. Этот эффект наиболее чётко просматривается на самых больших водопадах Мира. Так, у водопада Виктория (высота 133 м, а ширина потока 1600 м), напряжённость поля, возникающего вследствие дробления капель, достигает 25 кВ/м.

Капельница Кельвина является генератором электрической энергии. Несмотря на то, что это устройство было извествно ещё в XIX в., но как альтернативный источник электрической энергии оно серьёзно не рассматривалось.

Поскольку на нашей планете стремительно иссякают топливные ресурсы, и изучению альтернативных источников энергии в наше время придается огромное значение, считаем наше исследование на тему «Капельница Кельвина, как альтернативный источник энергии» достаточно актуальным.

Предворительно была выдвинута гипотеза: “Капельницу Кельвина можно использовать как альтернативный источник энергии”.

В связи с этим была поставлена цель: “Сборка модели Капельницы Кельвина для демонстрации преобразования энергии падающей воды в электрическую”.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Изучить теоретические аспекты работы Капельницы Кельвина.

Собрать экспериментальную установку.

Исследовать от чего зависит вырабатываемая энергия и максимизировать её значение.

Работа состоит из двух глав. В первой главе даётся историческая справка о создателе данной установки. Во второй главе описываются теоретические основы эксперимента, принцип работы устройств, а также включает в себя описание самого эксперимента.

При работе над теоретической частью работы использовалась информация из учебников и учебных пособий по физике. В них подробно описаны вопросы, касающиеся электростатики, электромагнитных колебаний, а также и производства и передачи энергии.

Хорошее описание принципа действия Капельницы Кельвина размещено на страницах электронной энциклопедии – Википедия.

Объект исследования преобразование механической энергии в электрическую.

Предмет исследования модель капельницы Кельвина

Глава 1. Историческая справка

Биография Лорда Кельвина

Уи́льям То́мсон, барон Ке́львин (англ. William Thomson, 1st Baron Kelvin; 26 июня 1824 года, Белфаст, Ирландия - 17 декабря 1907 года, Ларгс, Шотландия) - британский физик и механик. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики.

Предки Томсона были ирландскими фермерами; его отец Джеймс Томсон (англ.)русск., известный математик, с 1814 года был учителем в Belfast Academical Institution, затем с 1832 года профессором математики в Глазго; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Уильям Томсон и его старший брат Джеймс учились в колледже в Глазго, а затем в колледже св. Петра (англ.)русск. в Кембридже, в котором Уильям окончил курс наук в 1845 году.

В 1846 году двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. С 1880 по 1882 президент Лондонского общества физиков. Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками.

В 1866 году Томсон был посвящён в рыцарское достоинство, в 1892 году королева Виктория пожаловала ему пэрство с титулом «барон Кельвин» по реке Кельвин (англ.)русск., протекающей мимо университета Глазго и впадающей в реку Клайд.

1.2Научная деятельность

Ещё студентом Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики и в замечательном исследовании «The uniform motion of heat in homogeneous solid and its connection with the mathematical theory of electricity» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении Земли.

В 1845 году, находясь в Париже, Томсон начинает в журнале Жозефа Лиувилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.

С 1849 года начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (1824), для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит одну из первых формулировок второго закона термодинамики.

В 1852 году Томсон даёт другую формулировку его, именно учение о рассеянии энергии.

В том же году Томсон совместно с Джоулем проводит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории идеальных газов к теории реальных газов.

Начатая в 1855 году работа по термоэлектричеству («Electrodynamic Qualities of Metals») вызвала усиленную экспериментальную работу; в работе принимали участие студенты, и это положило начало практическим работам студентов в университете Глазго - первым в Великобритании, а также начало лаборатории по физике в Глазго.

В пятидесятых годах Томсон заинтересовывается вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно Томсон выводит условия существования колебательного электрического разряда (1853), вновь найденные позже Кирхгофом (1864) и лёгшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Томсона с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию лота и компаса (1872-1876).

В «Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa» (1896) приведён список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Томсону. Упомянем лишь некоторые предметы его работ: термодинамические исследования, приведшие кроме того ещё к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в 1887 году премией от Эдинбургского королевского общества); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так называемого «эффекта Томсона» - переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости (1862-1863), в которых Томсон расширяет теорию шаровых функций; работы по динамической геологии.

Не менее замечательна деятельность Томсона в практической физике и технике; ему принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике, как то: зеркального гальванометра, ондулятора с сифонной подачей чернил, квадрантного и абсолютного электрометров, нормального элемента компаса, лота и множества технических измерительных электрических приборов, между которыми особенно замечательны ампер-весы, применяемые для выверки электрических приборов. Между множеством патентов, взятых Томсоном, встречаются таковые и на чисто практические приспособления (как, например, на водопроводные краны).

Из книг, изданных Томсоном, наибольшей известностью пользуется «Treatise on natural philosophy» (т. 1, вместе с Тэтом, 3-е изд. в 1883 году, немец. перев. под ред. Гельмгольца), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.

Глава 2. Практическая часть

2.1.Теоретические основы эксперимента

В обычных условиях тела содержат одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, т.е. они не заряжены, или электрически нейтральны.

Согласно электронной теории различные электрические свойства тел объясняются присутствием в них электронов и их движением, а явления заряжения и разряжения тел сводится к перераспределению в них электронов без изменения их общего числа. А это значит, что в любой замкнутой (электрически изолированной) системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри неё.

Тело можно наэлектризовать, т.е. создать на нем избыток или недостаток зарядов. Это явление называется электризацией, а такое тело - наэлектризованным. Существуют три основных способа электризации: трением, через влияние, под действием излучения.

Электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия атомных и молекулярных сил (из-за различия работы выхода электрона из материалов). При этом происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах ещё и ионов) с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоёв с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы и молекулы одного вещества, обладающие более сильным притяжением, отрывают электроны от другого вещества.

Явление электризации через влияние в проводниках с точки зрения электронной теории легко объясняется существованием в них свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд. Накопленные таким образом заряды называются индуцированными.

Любой диэлектрик, как и проводник, электризуется при внесении его во внешнее электрическое поле. Вследствие того, что заряды в атомах и молекулах связаны силами притяжения во много раз большими, чем силы, действующие на эти же заряды во внешнем поле, они могут только немного сместиться под действием поля на расстояние порядка самого атома. На поверхности диэлектрика возникают заряды, которые называют поляризационными или связанными.

Проводники могут заряжаться также под действием света. Явление заключается в том, что под действием света электроны могут вылететь из проводника в окружающее пространство, благодаря чему проводник заряжается положительно. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта или фотоэффекта.

Во всех случаях мы фактически имеем дело со статическим электричеством.

Статическое электричество — совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

Обычно носители зарядов обеих полярностей распределены в материале равномерно, поэтому он электрически нейтрален. Разрушение этого нейтрального состояния и локальное накопление частиц одной полярности приведет к тому, что тело станет заряженным. Статическое электричество определяется как явление, вызываемое электрическим зарядом в состоянии покоя. Такие заряды возникают при переносе электронов (или других видов носителей заряда) с одной части тела в другую (поляризация) или же при переходе заряда от одного тела к другому (переносимый заряд).

При статической электризации во время технологических процессов, сопровождающихся трением, размельчением твердых частиц, пересыпанием сыпучих материалов, переливанием диэлектрических жидкостей (нефтепродуктов и т.п.) на изолированных от земли металлических частях оборудования возникает, относительно земли, разность потенциалов (напряжение) порядка десятков киловольт.

Под разностью потенциалов между двумя точками поля понимают отношение работы, которую совершают электрические силы при перемещении электрического заряда из одной точки поля в другую, к величине этого заряда.

Для измерения разности потенциалов между двумя проводниками используют электрометр. Проградуировав предварительно шкалу электрометр можно по углы отклонения стрелки электрометра измерять разность потенциалов, выраженную в вольтах. Однако электрометр чувствительный прибор и измерить с помощью его большую разность потенциалов не представляется возможным.

Следует отметить, что практическую значимость представляет не статическое электричество, а электрический ток и в большей степени переменный.

Переменный электрический ток представляет собой вынужденные электромагнитные колебания. Основная часть электроэнергии вырабатывается в настоящее время генераторами переменного тока, создающими синусоидальное напряжение которое позволяет наиболее просто и экономично осуществлять передачу, распределение и использование электрической энергии. Вынужденные электромагнитные колебания можно получить и в колебательном контуре. Конденсатор, содержащийся в колебательном контуре, обладая определённым запасом энергии, может её возвращать в электрическую цепь, содержащую потребитель. Для того, чтобы электромагнитные колебания в контуре являлись незатухающими необходимо, чтобы он резонировал со внешним источником энергии.

2.2Принцип работы устройства

К апельница Кельвина представляет собой две пары жестяных банок. В каждой паре банки расположены одна над другой и соединены проводниками крест-накрест. Над верхними банками расположен резервуар с трубками, из которых капли воды могут проходить сквозь верхние банки и собираться в нижних. Когда вода начинает капать, одна из банок имеет чуть больший отрицательный заряд, чем другие. Допустим, что больший положительный заряд имеет нижняя левая банка. Тогда, поскольку банки крест-накрест соединены между собой проводниками, верхняя правая банка будет также иметь больший положительный заряд, чем верхняя левая банка (рис.1).

Благодаря явлению электростатической индукции, правая струя воды, проходя через правую банку, заряжается. Если капли образуются именно на уровне этой банки, то они заряжаются отрицательно, так как положительный заряд отталкивается от положительно заряженной банкой вверх по струе. Далее эти капли воды падают в нижнюю правую банку, и её отрицательный заряд возрастает.

Аналогичным образом возрастает и положительный заряд левой нижней банки. Таким образом, разность потенциалов между банками растет [4].

Ка́пельница Ке́львина является генератором электростатического напряжения. Она названа в честь лорда Кельвина, который изобрел её в 1867 году. Это предельно простое устройство обеспечивает получение электрического напряжения порядка 10 кВ. Устройство представляет собой пару металлических банок, каждая из которых связана с металлической трубкой, подвешенной над другой банкой, из отверстий которой капает вода.

Что происходит?

Когда вода капает, одна из нижних банк становится положительно заряженой, а другая отрицательно с разницей потенциалов больше 1000В. Это означает, что любые мелкие капельки будут сбиты с пути электрическим полем и будут разлетаться кто куда.

Почему?
Это очень гениально и просто. Вначале, когда включают воду, одна из банок имеет чуть больший положительный заряд, чем другие. Какая именно банка имеет больший заряд, определяется чистой случайностью, так как изначальный заряд банок обуславливается естественной радиоактивностью или космическим излучением, или статикой оставшейся на банке после прикосновения. Кольцо, припаянное к этой банке соответственно тоже будет иметь чуть больший положительный заряд.

Электроны в воде притягиваются положительно заряженным кольцом, так что сами капли падают в банку отрицательно заряженными.

Эта банка становится отрицательно заряжена и, следовательно, противоположное кольцо также становится отрицательным. Капли слева соответственно становятся положительными, делая левую банку всё более положительно заряженной.

Несмотря на то, что начальная разность потенциалов между банками ничтожна, в некоторых самодельных капельницах Кельвина удается получить разность потенциалов до 15 кВ. Причем одна пара жестяных банок заряжается положительно, а другая – отрицательно.
К нижним банкам может быть подсоединена проводами неоновая лампочка. При работе устройства, по мере накопления заряда на банках, она будет периодически вспыхивать.

2.3Экспериментальная установка

Для создания экспериментальной установки были использованы: жестяные банки от кофе, пластиковые стаканы, провода, банки от кока колы и спрайта, деревянная стойка, изолятором служил скотч и пенопласт.

П опытки использования мультиметра DT-830 (рис.3) для измерения полученной разности потенциалов не принесли успеха, т.к. прибор не предназначен для измерения статического напряжения, поэтому решено было использовать самодельный электроскоп.

Однако установка имела некоторые недостатки, которые частично были устранены при ее усовершенствовании.

Усовершенствование установки

Нижние банки установлены на поддон из пенопласта.

Деревянную стойку пришлось заменить штативами из-за большой потери электрического заряда.

Подающие резервуары закреплены в такой позиции, в которой струи разрывались на капли точно в пространстве верхних банок.

В конструкцию была добавлена стеклянная банка с двумя проводами, соединенными с нижними жестяными банками с оголёнными концами для демонстрации электрического разряда.

Общий вид усовершенствованной установки показан на рисунке.

Заключение

В результате исследования была собрана действующая модель Капельницы Кельвина и установлено, что на вырабатываемую ею энергию влияют: место разрыва струи на капли; качество обработки поверхностей; диаметр верхних банок; расстояние между нижними и верхними банками; время работы установки.

В перспективе планируется:

создать модель капельницы Кельвина, которая бы позволила наглядно продемонстрировать ее работу, например, питать лампу накаливания;

осуществить удаление воды из нижних емкостей без утечки имеющегося на них заряда, что в свою очередь, должно обеспечить повышение разности потенциалов и возможность использования энергии устройства длительное время.

Список использованной литературы

Мякишев.Г.Я., Буховцев Б.Б., Физика: Учеб. Для 10кл. общеобразоват. учреждений.-6-е изд.- М.: Просвещение, 1998-222 с.: ил.

Основы элементарной физики. Ю. А. Селезнев. Учебное пособие. Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, М., 1974 г.

Физика: Учеб. Пособие для 11-го кл. учереждений, обеспечивающих получение общ. сред. образования, с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А. В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. – 2-е изд.- Мн.: Нар. Асвета, 2004.-382 с.: ил.

http://ru.wikipedia.org