El gotero de agua Kelvin , inventado por el científico escocés William Thomson (Lord Kelvin) en 1867, [1] es un tipo de generador electrostático . Kelvin se refirió al dispositivo como su condensador de gotas de agua . El aparato se llama indistintamente el generador de Kelvin hidroeléctrica , el generador electrostático de Kelvin , o tormenta de Lord Kelvin . El dispositivo utiliza agua que cae para generar diferencias de voltaje por inducción electrostática que ocurren entre interconectados, cargados de manera opuestasistemas. Esto eventualmente conduce a la descarga de un arco eléctrico en forma de chispa. Se utiliza en la educación física para demostrar los principios de la electrostática .
Descripción
En la Fig. 1 se muestra una configuración típica. Un depósito de agua u otro líquido conductor (superior, verde) está conectado a dos mangueras que liberan dos corrientes de gotas que caen en dos cubos o contenedores (inferior, azul y rojo). . Cada corriente pasa (sin tocar) a través de un anillo de metal o un cilindro abierto que está conectado eléctricamente al recipiente receptor opuesto; el anillo izquierdo (azul) está conectado al cubo derecho, mientras que el anillo derecho (rojo) está conectado al cubo izquierdo. Los contenedores deben estar eléctricamente aislados entre sí y de la tierra eléctrica. Del mismo modo, los anillos deben estar eléctricamente aislados entre sí y de su entorno. Es necesario que las corrientes se rompan en gotitas separadas antes de llegar a los contenedores. Normalmente, los contenedores están hechos de metal y los anillos están conectados a ellos mediante cables.
La construcción simple hace que este dispositivo sea popular en la educación física como un experimento de laboratorio para los estudiantes.
Principios de Operación
Una pequeña diferencia inicial en la carga eléctrica entre los dos cubos, que siempre existe porque los cubos están aislados entre sí, es necesaria para comenzar el proceso de carga. Supongamos, por tanto, que el cubo derecho tiene una pequeña carga positiva. Ahora, el anillo izquierdo también tiene carga positiva porque está conectado al cubo. La carga en el anillo de la izquierda atraerá cargas negativas en el agua ( iones ) hacia la corriente de la izquierda por la atracción electrostática de Coulomb . Cuando una gota rompe el final de la corriente de la izquierda, la gota lleva consigo una carga negativa. Cuando la gota de agua cargada negativamente cae en su balde (el de la izquierda), le da a ese balde y al anillo adjunto (el de la derecha) una carga negativa.
Una vez que el anillo derecho tiene una carga negativa, de manera similar atrae la carga positiva hacia la corriente de la derecha. Cuando las gotas se rompen al final de esa corriente, llevan una carga positiva al cubo cargado positivamente, lo que hace que ese cubo tenga una carga aún más positiva.
Así, las cargas positivas son atraídas por el anillo hacia la corriente de la derecha y la carga positiva gotea en el cubo derecho con carga positiva. Las cargas negativas se atraen a la corriente de la izquierda y la carga negativa gotea en el cubo izquierdo cargado negativamente. Este proceso de separación de cargas que ocurre en el agua se llama inducción electrostática . Cuanto mayor sea la carga que se acumula en cada balde, mayor será el potencial eléctrico en los anillos y más efectivo será este proceso de inducción electrostática. [2] Durante el proceso de inducción, hay una corriente eléctrica que fluye en forma de iones positivos o negativos en el agua de las líneas de suministro. Esto es independiente del flujo masivo de agua que cae a través de los anillos y se rompe en gotitas en el camino hacia los contenedores. Por ejemplo, cuando el agua se acerca al anillo con carga negativa de la derecha, cualquier electrón libre en el agua puede huir fácilmente hacia la izquierda, contra el flujo de agua.
Eventualmente, cuando ambos cubos se hayan cargado mucho, se pueden ver varios efectos diferentes. Una chispa eléctrica puede formar un arco breve entre los dos cangilones o anillos, disminuyendo la carga en cada cangilón. Si hay una corriente constante de agua a través de los anillos, y si las corrientes no están perfectamente centradas en los anillos, se puede observar la desviación de las corrientes antes de cada chispa debido a la atracción electrostática a través de la ley de cargas opuestas de Coulomb . [3] A medida que aumenta la carga, una corriente suave y constante puede desplegarse debido a la auto-repulsión de las cargas netas en la corriente. Si el flujo de agua se establece de manera que se rompa en gotas en la vecindad de los anillos, las gotas pueden ser atraídas a los anillos lo suficiente como para tocar los anillos y depositar su carga en los anillos con carga opuesta, lo que disminuye la carga en ese lado de el sistema. También en ese caso, los cubos comenzarán a repeler electrostáticamente las gotas que caen hacia ellos y pueden arrojar las gotas lejos de los cubos. Cada uno de estos efectos limitará el voltaje que puede alcanzar el dispositivo. Los voltajes alcanzados por este dispositivo pueden estar en el rango de kilovoltios, pero las cantidades de carga son pequeñas, por lo que no hay más peligro para las personas que el de las descargas eléctricas estáticas producidas al arrastrar los pies sobre una alfombra, por ejemplo.
Las cargas opuestas que se acumulan en los cubos representan energía potencial eléctrica , como lo muestra la energía liberada como luz y calor cuando una chispa pasa entre ellos. Esta energía proviene de la energía potencial gravitacional que se libera cuando cae el agua. Las gotas de agua cargadas que caen funcionan contra el campo eléctrico opuesto de los contenedores cargados de manera similar, que ejerce una fuerza ascendente contra ellos, convirtiendo la energía potencial gravitacional en energía potencial eléctrica, más energía cinética de movimiento . La energía cinética se desperdicia en forma de calor cuando el agua cae en los cubos, por lo que cuando se considera un generador de energía eléctrica, la máquina Kelvin es muy ineficiente. Sin embargo, el principio de funcionamiento es el mismo que con otras formas de energía hidroeléctrica. Como siempre, se conserva la energía.
Detalles
Si los cubos son conductores de metal, entonces la carga acumulada reside en el exterior del metal, no en el agua. Esto es parte del proceso de inducción eléctrica y es un ejemplo del "cubo de hielo de Faraday" relacionado . Además, la idea de llevar pequeñas cantidades de carga al centro de un objeto metálico grande con una gran carga neta, como sucede en el gotero de agua de Kelvin, se basa en la misma física que en el funcionamiento de un generador de van de Graaff .
La discusión anterior se refiere a la caída de gotas cargadas. Los efectos de carga inductiva ocurren mientras la corriente de agua es continua. Esto se debe a que el flujo y la separación de la carga ya se produce cuando las corrientes de agua se acercan a los anillos, de modo que cuando el agua pasa a través de los anillos ya hay una carga neta en el agua. Cuando se forman las gotas, una carga neta queda atrapada en cada gota a medida que la gravedad la empuja hacia el contenedor con la misma carga.
Cuando los contenedores son de metal, los cables pueden estar unidos al metal. De lo contrario, el extremo del recipiente de cada cable debe sumergirse en el agua. En el último caso, la carga reside en la superficie del agua, no fuera de los contenedores.
El aparato se puede extender a más de dos corrientes de gotitas. [4]
En 2013, un grupo combinado de la Universidad de Twente (Países Bajos) construyó una versión microfluídica del gotero de agua Kelvin, que produce voltajes eléctricos capaces de cargar, deformar y romper gotas de agua de tamaño micrométrico simplemente usando fuerza neumática en lugar de gravedad. [5] Un año después, desarrollaron otra versión de un gotero de agua Kelvin microfluídico, [6] usando un chorro de líquido a microescala (que luego se rompió en microgotas) disparado sobre un objetivo de metal, lo que produjo una eficiencia máxima del 48%. [7]
Referencias
- ^ Thomson, William (noviembre de 1867). "Sobre un aparato autoactivo para multiplicar y mantener cargas eléctricas, con aplicaciones a la Teoría Voltaica" . The London, Edinburgh y Dublin Philosophical Magazine y Journal of Science . Serie 4. 34 (231): 391–396 . Consultado el 1 de septiembre de 2015 .
- ^ "Actividad del gotero de agua Kelvin" . CSIRO. Archivado desde el original el 8 de febrero de 2005 . Consultado el 7 de enero de 2009 .
- ^ Maryam Zaiei-Moayyed; Edward Goodman; Peter Williams (noviembre de 2000). "Desviación eléctrica de corrientes de líquido polares: una demostración incomprendida" . Revista de educación química . 77 (11): 1520-1524. Código Bibliográfico : 2000JChEd..77.1520Z . doi : 10.1021 / ed077p1520 . S2CID 95473318 .
- ^ Markus Zahn, "Generación de alto voltaje de CA autoexcitada utilizando gotas de agua", American Journal of Physics , vol. 41, páginas 196-202 (1973). [1]
- ^ Alvaro G. Marin et al., "El gotero de agua de microfluidos Kelvin". Laboratorio en un chip (DOI: 10.1039 / C3LC50832C). ( https://arxiv.org/abs/1309.2866 ).
- ^ Y.Xie et al., Un "Gotero de agua de Kelvin balístico impulsado por presión para la recolección de energía". "Laboratorio en un chip" (DOI: 10.1039 / C4LC00740A).
- ^ Y.Xie et al., "Generador electrostático balístico de alta eficiencia con microgotas". "Nature Communications" (DOI: 10.1038 / ncomms4575).
enlaces externos
- YouTube ("Reinhard Schumacher") - Gotero de agua Kelvin: implementación y explicación
- YouTube ("RimstarOrg"): gotero de agua Kelvin y cómo funciona
- YouTube ("Veritasium") - Chispas de agua que cae: Tormenta de Kelvin
- Descripción detallada del dispositivo y cómo construir su propio gotero de agua Kelvin.
- Gotero de agua Lego Kelvin