水糸実験

水糸実験は、絶縁体の上に置かれた脱イオン水の入った2つの容器を糸で接続し、一方の容器に高電圧の正電荷を、もう一方の容器に負電荷を印加したときに発生する現象です。臨界電圧では、容器間に支えのない水液橋が形成され、容器を離してもその橋は残ります。この現象は、1893年にイギ​​リスの技術者ウィリアム・アームストロングによる公開講演で初めて報告されました。^[1]

典型的な構成で観察されるブリッジの直径は 1 ～ 3 mm であるため、ブリッジは 25 mm (0.98 インチ) まで引っ張られても無傷のままであり、最大 45 分間安定した状態を保ちます。表面温度も、初期表面温度 20 °C (68 °F) から破壊前に 60 °C (140 °F) まで上昇します。

典型的な実験では、2 つの 100 mLビーカーに脱イオン水を入れてビーカーの縁から約 3 mm 下まで満たし、その水を 15 kV の直流にさらします。一方のビーカーは負に、もう一方のビーカーは正に変わります。電荷が蓄積された後、水は糸に沿ってガラス壁を越えて自発的に上昇し、両者の間に「水橋」を形成します。一方のビーカーをもう一方のビーカーからゆっくりと押し離しても、構造はそのまま残ります。電圧が 25 kV に上昇すると、構造は 25 mm (0.98 インチ) も引き離すことができます。糸が非常に短い場合は、水の力によって糸が正のガラスから負のガラスに押し出される可能性があります。

水は一般に陽極から陰極へと移動しますが、水橋表面に蓄積される表面電荷が異なるため方向が変わることがあり、異なる符号の電気せん断応力が発生します。ビーカーが臨界距離まで引き離されるか、電圧が臨界値まで低下すると、毛細管現象により水橋が液滴に分解されます。

ブリッジを形成するには、きれいな脱イオン水が必要であり、イオンが液体に導入されると（塩の追加または電極表面での電気化学反応により）、ブリッジの安定性は大幅に低下します。

この現象はまだ研究が必要ですが、高接線電界が印加されたときに水表面で表面分極が起こることがシステムの並外れた安定性の原因であることは科学界の一致した見解であり、これは実験、理論、シミュレーションによって確認されています。^{[2] [3] [4]}同じメカニズムは数十年前から知られており、過去には液膜や油液橋の安定化に応用されてきました。^{[5] [6]この橋はH} ₃ O ₂格子または立ち入り禁止区域の水でできていると推測する人もいます。^[7]しかし、そのような主張を裏付ける実験的証明や測定は一つもありません。

• Marin, Alvaro; Lohse, Detlef (2010 年 12 月 15 日). 「空中に水橋を築く: 浮遊水橋の電気流体力学」. Physics of Fluids . 22 (12): 122104–122104–9. arXiv : 1010.4019 . Bibcode :2010PhFl...22l2104M. doi :10.1063/1.3518463. S2CID  119215447. 2010 年 12 月 23 日閲覧.
• Aerov, Artem (2011). 「なぜ水橋は崩壊しないのか」. Physical Review E. 84.3 ( 36314): 036314. arXiv : 1012.1592 . Bibcode :2011PhRvE..84c6314A. doi :10.1103/PhysRevE.84.036314. PMID  22060499. S2CID  29889217.
• Morawetz, Klaus (2012). 「水と荷電液体ブリッジの理論」. Physical Review E. 86.2 ( 26302): 026302–1. arXiv : 1107.0459 . Bibcode :2012PhRvE..86b6302M. doi :10.1103/PhysRevE.86.026302. PMID  23005849. S2CID  42770937.
• González, H.; Mccluskey, FMJ; Castellanos, A.; Barrero, A. (2006 年 4 月 26 日)。 「重力がない場合の電界による誘電液体ブリッジの安定化」。Journal of Fluid Mechanics。206 ( 1): 545。Bibcode : 1989JFM...206..545G。doi : 10.1017/S0022112089002405。
• Sankaran, Subramanian; Saville , DA (1993年4 月)。「軸方向電界における液体ブリッジの安定性に関する実験」。流体物理学 A: 流体力学。5 (4): 1081–1083。Bibcode :1993PhFlA...5.1081S。doi :10.1063/1.858625。
• ポラック、ジェラルド。「立入禁止区域の水」。ワシントン大学。
• Beaty, William (1996) 「Wasserfadden 実験 (水の糸)」 www.amasci.com 。2007 年 1 月 20 日閲覧。
• ハモンド、リチャード (2006)。「フォースを感じることができますか?」ドーリング・キンダーズリー。
• フックス、エルマー C.ヴォイセシュレーガー、ヤコブ;ガタラー、カール。マイヤー、オイゲン。ペクニク、ルネ。ゲルト・ホラー。アイゼンケルブル、ヘルムート（2007年9月21日）。 「浮き水橋」。Ｊ．Ｐｈｙｓ． D: 応用。物理学。40 (19): 6112–6114。ビブコード:2007JPhD...40.6112F。土井：10.1088/0022-3727/40/19/052 。2007 年 9 月 29 日に取得。
• Zyga, Lisa (2007-09-28) 「高電圧にさらされると水が浮遊する『橋』を形成」Science News 。2007-09-29閲覧。
• Ponterio, RC; M. Pochylski; F. Aliotta; C. Vasi; ME Fontanella; F. Saja (2010). 「浮遊水橋のラマン散乱測定」(PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . 43 (17): 175405. Bibcode :2010JPhD...43q5405P. doi :10.1088/0022-3727/43/17/175405.
• Skinner, LB; C. Benmore; B. Shyam; JKR Weber; JB Parise (2012). 「浮遊水橋の構造と電界内の水」Proc. Natl. Acad. Sci . 109 (41): 16463–16468. Bibcode :2012PNAS..10916463S. doi : 10.1073/pnas.1210732109 . PMC  3478597. PMID  23010930 .