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さまざまな名前で呼ばれています。この装置は、落下する水を使用して、相互接続された反対に帯電したシステム間で発生する静電誘導によって電圧差を生成します。これにより、最終的に火花の形で放電する電気アークが発生します。これは、静電気の原理を示すために物理教育で使用されます。

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ており、2 本のホースから 2 本の滴が落下し、2 つのバケツまたはコンテナ (下部、青と赤) に落ちます。各滴は (接触することなく) 反対側の受信コンテナ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通過します。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。コンテナは、互いに電気的に絶縁され、電気接地からも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環境から電気的に分離されている必要があります。滴は、コンテナに到達する前に別々の滴に分解される必要があります。通常、コンテナは金属製で、リングはワイヤでコンテナに接続されています。

この装置は構造がシンプルなため、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

ケルビンのオリジナルの機械では、バケツの代わりに、充電電極を通過した後、滴は金属漏斗に落ち、そこで電荷を集めますが、水は通過させます。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、右側のバケツにわずかな正電荷があるとします。バケツに接続されている左側のリングにも、正電荷がいくらかあります。左側のリングの電荷は、クーロン静電引力によって、水中の負電荷 (イオン) を左側の流れに引き寄せます。左側の流れの端で水滴が分離すると、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、そのバケツと取り付けられたリング (右側) に負電荷が与えられます。

右側のリングが負に帯電すると、同様に、右側のストリームに正の電荷を引き寄せます。そのストリームの端で滴が分離すると、正の電荷が正に帯電したバケツに運ばれ、その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果的になります。^[2] 誘導プロセス中、供給ラインの水に正イオンまたは負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になると、いくつかの異なる効果が見られることがあります。2つのバケツまたはリングの間で電気火花が短時間発生し、各バケツの電荷が減少します。リングを通過する水の流れが一定で、水流がリングの中央に完全に集中していない場合は、クーロンの反対電荷の法則による静電引力により、各火花の前に水流が偏向するのを観察できます。^[3] 電荷が増加すると、水流内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ことがあります。水流がリングの近くで液滴に分解されるように設定されている場合、水滴はリングに引き寄せられ、リングに触れて反対に帯電したリングに電荷を蓄積し、システムのその側の電荷が減少します。その場合も、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、液滴をバケツから遠ざける可能性があります。これらの各効果により、デバイスが到達できる電圧が制限されます。この装置が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放電よりも人体への危険はありません。

バケツに蓄積される反対の電荷は、電気的な位置エネルギーを表します。これは、バケツとバケツの間を火花が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の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の電界に逆らって働き、上向きの力が水滴に対して作用し、重力の位置エネルギーが電気的な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、水滴がバケツに落ちるときに熱として無駄になるため、電力発電機として考えた場合、ケルビン機は非常に非効率的です。ただし、動作原理は他の形式の水力発電と同じです。常に、エネルギーは保存されます。

詳細

バケツが金属導体である場合、蓄積された電荷は水の中にではなく、金属の外側に存在します。これは電気誘導プロセスの一部であり、関連する「ファラデーのアイスバケツ」の例です。また、ケルビンの水滴で起こるように、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もたらすという考えは、ヴァンデグラフ発電機の動作と同じ物理学に依存しています。

上記の説明は、帯電した液滴が落下する点についてです。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ときにすでに電荷の流れと分離が発生しているため、水がリングを通過するときにすでに水に正味電荷が存在するためです。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、各液滴にいくらかの正味電荷が捕捉されます。

容器が金属製の場合、ワイヤは金属に取り付けられます。そうでない場合は、各ワイヤ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、水の表面にあります。

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]金属ターゲットに噴射された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）を使用して、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 年に出版された著書『磁石論』の中で、琥珀によって発生する静電気と水との相互作用についての研究を取り上げました。彼は、水面上に円錐状の構造が形成されるのを観察しました。これは現在では一般に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「さまざまな主題に関する物理機械的実験」(1719)
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、オリジナル実験、第 1 巻、第 2 巻、第 3 巻 (MDCCLXVII) (1747)」
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、オリジナル実験付き」、第 1 巻および第 2 巻 (MDCCXCV) (1795)
ジョン・カスバートソン、「実用電気」、J. キャロウ、ロンドン (1807)
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・ノアド、「電気の手引書」全2巻（1857年）

1840年代までに、水流は電荷を運ぶことができ、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、静電場によって水体内で物理的な電荷分離、つまり電荷が異なる領域に分離されることも実証されました。

ケルビン卿は、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ところ、水道水、蒸留水（非脱イオン水）、飽和塩化ナトリウム溶液で作動することが分かりました。^[10]また、2つの液体流が異なる電気的に絶縁された貯留槽から発生した場合でも、発電機は正常に作動することが分かりました。水滴が形成される際に、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

^ トムソン、ウィリアム（1867年11月）。「電荷を増殖および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、ダブリン哲学雑誌および科学ジャーナル。シリーズ4。34（231）：391–396 。 2015年9月1日閲覧。
^ 「ケルビン水滴装置活動」 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。
^ Maryam Zaiei-Moayyed、Edward Goodman、Peter Williams (2000 年 11 月)。「極性液体流の 電気的偏向: 誤解されているデモンストレーション」。Journal of Chemical Education。77 ( 11): 1520–1524。Bibcode :2000JChEd..77.1520Z。doi : 10.1021/ed077p1520。S2CID 95473318。
^ 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]
^ Alvaro G. Marin 他、「マイクロ流体ケルビン水滴器」。Lab on a Chip (DOI: 10.1039/C3LC50832C)。(https://arxiv.org/abs/1309.2866)。
^ Y.Xie 他、「エネルギー収穫のための圧力駆動弾道ケルビン水滴器」。「チップ上のラボ」(DOI: 10.1039/C4LC00740A)。
^ Y.Xie 他、「マイクロ液滴を使用した高効率弾道静電発生器」。「Nature Communications」(DOI:10.1038/ncomms4575)。
^ 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カンパニー。pp.98–100。ISBN 0-917406-13-3。
^ Aplin, KL; Harrison, RG (2013-09-03). 「ケルビン卿の大気電気測定」.地球科学と宇宙科学の歴史. 4 (2): 83–95. arXiv : 1305.5347 . Bibcode :2013HGSS....4...83A. doi : 10.5194/hgss-4-83-2013 . ISSN 2190-5029.
^ 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.

外部リンク

ケルビンウォータードロッパー – MIT OCW
YouTube ("ラインハルト・シューマッハ") – ケルビン・ウォーター・ドロッパー: 実装と説明
YouTube ("RimstarOrg") – ケルビンウォータードロッパーとその仕組み
YouTube (「Veritasium」) – 落水からの火花: ケルビンの雷雨
デバイスの詳細な説明と、独自のケルビン水滴器を構築する方法。
レゴケルビンウォータードロッパー

[Thomson-1] トムソン、ウィリアム（1867年11月）。「電荷を増殖および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、ダブリン哲学雑誌および科学ジャーナル。シリーズ4。34（231）：391–396 。 2015年9月1日閲覧。

[2] 「ケルビン水滴装置活動」 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: 誤解されているデモンストレーション」。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器」。Lab on a Chip (DOI: 10.1039/C3LC50832C)。(https://arxiv.org/abs/1309.2866)。

[6] Y.Xie 他、「エネルギー収穫のための圧力駆動弾道ケルビン水滴器」。「チップ上のラボ」(DOI: 10.1039/C4LC00740A)。

[7] Y.Xie 他、「マイクロ液滴を使用した高効率弾道静電発生器」。「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カンパニー。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」.地球科学と宇宙科学の歴史. 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.