Республиканский конкурс-защита научно-исследовательских работ

МАН «Искатель»

                                                                        Отделение: физика и астрономия

Секция: теоретическая физика

КАПЕЛЬНИЦА КЕЛЬВИНА КАК ИСТОЧНИК АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

Работу выполнил:

Меметов Меджит Эмильевич,

учащийся 10 класса муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Вересаевская средняя школа» с. Вересаево, Сакского района, Республики Крым

Научный руководитель:

Чепкасова Дарья Алексеевна,

учитель физики муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Вересаевская средняя школа» с. Вересаево, Сакского района, Республики Крым

с. Вересаево – 2022

Содержание

Введение.............................................................................................................3

1. Принцип действия капельницы Кельвина...................................................4

1.1. Теоретическая часть...................................................................................4

1.2. Практическая часть....................................................................................8

1.3. Кто такой У.Т. Кельвин.............................................................................9

2. Выгодно ли использовать капельницу Кельвина в современном пост индустриальном мире?.....................................................................................11

2.1 Как рационально использовать капельницу?...........................................12

Заключение……………………………………………………………………12

Литература и интернет источники…………………………………………..12

Введение

Данное исследование является актуальным, т.к. в наше время заканчиваются невозобновляемые ресурсы земли, многие учёные в поисках источников альтернативной энергии.

Большой вклад в исследование внёс такой учёный как Уильям Томсон Кельвин. У.Т. Кельвин- британский физик, придумал в 1867 году оригинальное устройство, предназначенное для разделения электрических зарядов.

Капельница Кельвина- позволяет преобразовывать потенциальную энергию падающих капель воды в электрическую. Простая конструкция позволяет, тем не менее, получить напряжения порядка 10 кВ. Устройство представляет собой пару металлических банок, каждая из которых связана с металлическим кольцом-индуктором, подвешенным над другой банкой. Через индукторы из верхнего сосуда в банки льются струйки воды, которые разделяются на капли рядом с индукторами.

Целью работы было определить, на сколько выгодно использование устройства У.Т. Кельвина “Капельница Кельвина”.

         В этой работе мы поставили перед собой несколько задач:

1) Познакомиться с Томсоном Кельвином.

2) Изучить историю создания капельницы Кельвина.
3) Понять принцип работы капельницы.

4) Определить, применяют ли где-либо капельницу Кельвина.

5) Найти рациональное применение капельнице.

Для решения данных задач будем использовать литературу, а также интернет источники. Будем рассматривать места, где уже использовалась капельница Кельвина, попытаемся повторить устройство, создав свою модель капельницы Кельвина, таким образом решим поставленные задачи.

1.    Принцип действия капельницы Кельвина

1.1.          Теоретическая часть

Называется такое устройство капельницей Кельвина, в честь изобретателя — лорда Уильяма Томпсона Кельвина, известного физика, занимавшегося механикой, термодинамикой и электродинамикой. Сделано изобретение в 1867 году, а современное название этого устройства - генератор электростатического напряжения. Если говорить проще, то капельница Кельвина умеет накапливать статическое электричество.

Из емкости сверху, сквозь металлические кольца, течет вода двумя несильными потоками (это важно — вода должна «разбиваться» на капли). Кольца и нижние емкости соединены «крест-накрест» парой проводов. Кольца выполняют функцию «поляризации» воды. При отрыве от них, каждая капля получает заряд, а падая в одну из нижних емкостей, отдает его ей. Заряд нижних емкостей увеличивается, также увеличивается потенциал колец.

Для работы крайне важна сухость воздуха, влажность мешает. Если использовать подготовленные материалы при изготовлении устройства и уменьшить паразитические факторы (исключить острые края и углы, изолировать емкости с водой, увеличить размеры капельницы, исключить брызги, уменьшить размер капель и т.д.), возможно получение напряжения в 30000-40000 Вольт.

Эта конструкция продолжает работать до тех пор, пока нижние емкости не заполнятся полностью. И тут возникает проблема из-за которой этот крайне простой механизм, получающий электричество словно бы из ниоткуда, никак не может быть причислен к «вечным двигателям» - чтобы обеспечить непрерывность работы, нужно как-то решить проблему отвода воды.  (Приложение 1)

Не много о электронной теории. 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.

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.

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. ( Приложение 2)

1.2 Практическая часть

         Мы взяли кусок толстого пеноплекса и вырезали из него ножом квадратную раму размером 30×30 см. С помощью двойного скотча приклеили эту раму на подставку, а сверху приделали ещё одну пеноплексовую пластину размером 30×10 см.

Ещё нам понадобилось четыре консервные банки, кусок толстой изолированной медной проволоки длиной около полуметра, две полоски жести 15×3 см и два пустых стержня от авторучки. Обе жестяные полоски надо согнуть кольцами и сшить эти кольца с помощью шила и стальных скрепок. Кольца прикрепляются к двум нижним банкам крест-накрест с помощью двух кусков проволоки, зачищенной на концах. Лучше всего соединять проволоку с жестью с помощью паяльника. Эти кольца принято называть индукторами.

На одном конце обеих трубочек от стержней надо сделать сужение, растянув их над огнём свечки. В двух верхних банках делаются отверстия на дне, и трубочки вставляются в эти отверстия так, чтобы широкие концы трубочек были направлены вверх. Места соединения банок и трубочек надо промазать воском или герметиком — они ни в коем случае не должны протекать. Испытайте эту часть устройства: по очереди заполните обе банки водой и убедитесь, что вода бежит из стержня тонкой струйкой, распадающейся на капли.

Шилом проколем тонкие отверстия в раме и вставим в них трубки. Все четыре банки прикрепим к раме двойным скотчем. Осталось соединить верхние банки ещё одним куском провода, и машина готова.

Залейте в верхние банки воду и наблюдайте. Сначала вода потечёт из трубочек вниз, так что струйки будут пролетать через индукторы. Но потом, если всё сделано правильно, вы увидите нечто удивительное: струйка под индуктором начнёт распадаться на капли, которые полетят во все стороны, а отдельные капли даже подлетят вверх по дуге и попадут на индуктор. Если Если подвести к одной из нижних банок палец — вы почувствуете несильный электрический разряд. При этом банка, которую вы разрядили своим прикосновением, заряжается снова уже через пару секунд.

Как же работает устройство? Допустим, что на левой нижней банке уже имелся небольшой положительный заряд. Часть этого заряда по соединительному проводу перетекает на правый индуктор. Положительный заряд на правом индукторе притягивает к себе отрицательный заряд из правой верхней банки. Оторвавшиеся капли переносят этот отрицательный заряд в правую нижнюю банку. Часть этого заряда по соединительному проводу перетекает на левый индуктор. Отрицательный заряд на правом индукторе притягивает к себе положительный заряд из левой верхней банки. Оторвавшиеся капли переносят этот положительный заряд в левую нижнюю банку. Она заряжается сильнее, значит, сильнее заряжается и связанный с ней индуктор, и процесс разделения зарядов идёт всё быстрее и быстрее, в геометрической прогрессии, то есть с каждой каплей количество заряда в банке увеличивается в одно и то же число раз.

Почему же разделение зарядов в какой-то момент прекращается? Дело в том, что падающие заряженные капли отталкиваются от своей нижней банки, имеющей электрический заряд такого же знака, и притягиваются к индуктору, заряд которого имеет противоположный знак. Кроме того, части заряженной капли отталкиваются друг от друга, капля разрывается на мелкие капельки, которые летят мимо нижней банки. Силы тяжести уже недостаточно, чтобы разделять заряды ещё сильнее, и капельница выходит на режим насыщения. Электрическое напряжение, создаваемое таким устройством, может достигать нескольких киловольт, но накапливаемые заряды невелики, и поэтому разрядный ток не является опасным.

1.3. Кто такой Уильям Томсон Кельвин?

Томсон родился 26 июня 1824 года в Белфасте, городке в Северной Ирландии. Его семья состояла из шотландцев из Ольстера, потомков группы иммигрантов, которые придерживались своей пресвитерианской религии.

В возрасте шести лет будущий изобретатель осиротел от матери, поэтому на его жизнь сильно повлияла фигура его отца: Джеймс Томсон, который сначала работал на ферме, а затем самостоятельно изучил арифметику. Он даже преподавал математику в Университете Глазго.

По этой причине Уильям с ранних лет был эмоционально привязан к этому заведению. Фактически, название было изменено на Барон Кельвин из Ларгса в честь реки, окружающей кампус.

Привязанность Уильяма Томсона к этому университету была настолько сильной, что после ухода с кафедры, которую он занимал в течение 53 лет, он решил поступить в качестве студента, чтобы не покидать кампус, где он жил с 8 лет.

В 1852 году он женился на мисс Маргарет Крам после того, как его в третий раз отвергла Сабина Смит, которую он считал своей первой любовью. В том же году он провел серию бесед, в которых обратился к термической смерти Вселенной. В 1870 году скончалась его жена Маргарет. Это привело его к повторному браку с Фрэнсис Анной Бланди в 1874 году. Томсон не имел детей ни в одном из браков.

Уильям Томсон скончался 17 декабря 1907 года в возрасте 83 лет. Его останки покоятся в Вестминстерском аббатстве, расположенном в Великобритании, рядом с могилой Исаака Ньютона.

Академическая жизнь. Уильям Томсон был одним из исследователей, которые доминировали на британской научной сцене в викторианскую эпоху. Он был членом более ста научных обществ, возглавлял Лондонское королевское общество (между 1890 и 1895 годами) и получил 21 докторскую степень. honoris causa.

Он выделялся как популяризатор и учитель, поскольку он часто использовал серию новых экспериментальных демонстраций во время своих публичных выставок. За это он получил множество наград и отличий.

Празднование пятидесятилетия его кафедры в 1896 году означало важное общественное и научное событие, распространение которого достигло международного уровня; около 2500 гостей со всего мира посетили.Вклад Вклад в науку. Лорд Кельвин выполнил множество работ в различных областях физики, но он особенно преуспел в области термодинамики. Например, Томсон открыл и вычислил абсолютный ноль, то есть самую низкую температуру, которую может достичь материя, при которой ее частицы остаются неподвижными. Абсолютный ноль равен -273,15 градуса Цельсия. Проницательность ученого была удивительной: он точно нащупал две болевые точки современной ему науки. Через несколько месяцев, в последние дни XIX в., М.Планк опубликовал свое решение проблемы излучения абсолютно черного тела, введя понятие о квантовом характере излучения и поглощения света, а через пять лет, в 1905 г., А.Эйнштейн опубликовал работу "К электродинамике движущихся тел", в которой сформулировал частную теорию относительности и дал отрицательный ответ на вопрос о существовании эфира. Таким образом, за двумя "тучками" на небе физики скрывались теория относительности и квантовая механика — фундаментальные основы сегодняшней физики.

Еще  поражает широта и разнообразие интересов  Томсона - он  оценил возраст Земли,  собственноручно сконструировал целый ряд точных электрических измерительных приборов: кабельный гальванометр, электрометр и сифон-отметчик (прибор для приема телеграфных сигналов), принимал участие в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Наряду с другими участниками проекта прокладки первого телеграфного кабеля между Старым и Новым Светом в ноябре 1862 г. Томсон в возрасте 42 лет был посвящен в рыцари и был возведён в звание лорда Великобритании. ( На самом деле его роль оказалась в этом проекте ключевой -  ведь первая линия связи длиной 3000 миль, проложенная в 1857 г., проработала всего пару недель, после чего вышла из строя, а Томсону удалось разобраться в физике передачи сигнала по столь длинной линии и понять причину потери его высокочастотной составляющей, так что второй многожильный кабель, усовершенствованный по его указаниям, был проложен через океан в 1865 г. и прослужил несколько десятилетий).  ( Приложение 3)

2. Выгодно ли использовать капельницу Кельвина в современном пост индустриальном мире?

Я считаю, что использовать капельницу Кельвина в современном мире не очень рационально, так как КПД данного устройства крайне низкое.

Немного теории о КПД. Расшифровка аббревиатуры — коэффициент полезного действия. Однако и такое толкование с первого раза может оказаться не особо понятным. Этим коэффициентом характеризуется эффективность системы или какого-либо отдельного тела, а чаще — механизма. Эффективность характеризуется отдачей или преобразованием энергии.

Этот коэффициент применим практически ко всему, что нас окружает, и даже к нам самим, причём в большей степени. Ведь совершаем мы полезную работу все время, только вот как часто и насколько это важно, уже другой вопрос, с ним и используется термин «КПД». Полезная работа — это часть затрачиваемой, которую мы совершаем, используя механизм. А КПД — это как раз та физическая величина, которая показывает, какую часть составляет полезная работа от всей затраченной.

Тем более существую другие источники альтернативной энергии, такие как: гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии, энергии приливов и отливов и т д.

Чтоб устройство выделяло достаточное количества энергии для питания хотя бы одного дома, нужно было бы построить механизм довольно больших размеров, , следовательно, на данном этапе, этоустройство, то есть капельницу Кельвина, не выгодно использовать в наше время.

2.1. Как рационально использовать капельницу

По моему мнению одно из самых рациональных применений капельницы Кельвина это ее использование в качестве демонстрационного материала на уроках физики (в темах электрический заряд, электрический ток и потенциальная энергия). В то же время тот факт, что статический заряд, накапливаемый капельницей, возможно преобразовать в переменный электрический ток, позволяет говорить о возможности практического применения.

Заключение

Проведя научно-исследовательскую работу по теме” Капельница Кельвина как источник альтернативной энергии”, я обнаружил, что капельницу Кельвина можно использовать как источник альтернативной энергии, но при этом использовать это устройства не рационально из за низкого КПД, существуют другие более практичные источники альтернативной энергии. Одним из лучших применений данного устройства является использование его в образовательных целях, если говорить проще, то учителям физики будет удобнее и понятней объяснять такие темы, как “Источники альтернативной энергии” и тд.

Источники и используемая литература 

Приложение 1- https://dzen.ru/media/incrediblmech/kapelnica-kelvina-pochti-vechnyi-dvigatel-5c867673f117cb00b38c48bc

Приложение 2 -https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2021/04/26/kapelnitsa-kelvina

Приложение 3- https://ru1.warbletoncouncil.org/lord-kelvin-6516

Приложение 4 - https://dzen.ru/media/maksina/uchene-svet-ili-kak-vnuk-fermera-stal-lordom-a-reka-edinicei-izmereniia-temperatury-5d46d744d5135c00adaa161e