قطارة ماء كلفن

جهاز كلفن لقطرات الماء ، الذي اخترعه العالم الاسكتلندي ويليام طومسون (اللورد كلفن) عام 1867، ^{[ 1 ]} هو نوع من المولدات الكهروستاتيكية . أطلق كلفن على الجهاز اسم " مكثف قطرات الماء" . يُعرف الجهاز بأسماء مختلفة، منها " مولد كلفن الكهرومائي" ، و" مولد كلفن الكهروستاتيكي" ، و "عاصفة اللورد كلفن الرعدية" . يستخدم الجهاز الماء المتساقط لتوليد فروق جهد كهربائي عن طريق الحث الكهروستاتيكي بين أنظمة مترابطة ذات شحنات متضادة . يؤدي هذا في النهاية إلى تفريغ قوس كهربائي على شكل شرارة. يُستخدم الجهاز في تعليم الفيزياء لشرح مبادئ الكهروستاتيكا .

يوضح الشكل 1 نموذجًا نموذجيًا. يتصل خزان ماء أو سائل موصل آخر (أعلى، رمادي) بخرطومين يُطلقان تيارين من القطرات المتساقطة، والتي تهبط في دلوين أو حاويتين (أسفل، أزرق وأحمر). يمر كل تيار (دون أن يتلامس) عبر حلقة معدنية أو أسطوانة مفتوحة موصولة كهربائيًا بالحاوية المقابلة؛ الحلقة اليسرى (حمراء) موصولة بالدلو الأيمن، بينما الحلقة اليمنى (زرقاء) موصولة بالدلو الأيسر. يجب أن تكون الحاويات معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض وعن الأرض. وبالمثل، يجب أن تكون الحلقات معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض وعن البيئة المحيطة. يجب أن تنقسم التيارات إلى قطرات منفصلة قبل وصولها إلى الحاويات. عادةً ما تكون الحاويات مصنوعة من المعدن، وتُوصل الحلقات بها بواسطة أسلاك.

إن بساطة تصميم هذا الجهاز تجعله شائعاً في تعليم الفيزياء كتجربة معملية للطلاب.

نسخة من الآلة تعود لعام 1918.

رسم كيلفن الأصلي لعام 1867.

نسخة طبق الأصل من الآلة التي بيعت للاستخدام التعليمي.

في آلة كلفن الأصلية، بدلاً من الدلاء، تسقط القطرات بعد مرورها عبر أقطاب الشحن في قمعين معدنيين يجمعان الشحنة ويسمحان بمرور الماء. تُخزن الشحنة في مكثفين من نوع ليدن (أجسام أسطوانية كبيرة).

يلزم وجود فرق طفيف في الشحنة الكهربائية بين الدلوين، وهو فرق موجود دائمًا نظرًا لعزل الدلوين عن بعضهما، لبدء عملية الشحن. لنفترض إذًا أن الدلو الأيمن يحمل شحنة موجبة صغيرة. الآن، تحمل الحلقة اليسرى أيضًا شحنة موجبة لأنها متصلة بالدلو. ستجذب الشحنة الموجودة على الحلقة اليسرى الشحنات السالبة في الماء ( الأيونات ) إلى التيار الأيسر بفعل التجاذب الكهروستاتيكي الكولومبي . عندما تنفصل قطرة ماء عن نهاية التيار الأيسر، تحمل معها شحنة سالبة. وعندما تسقط قطرة الماء المشحونة سالبًا في دلوها (الأيسر)، فإنها تُكسب الدلو والحلقة المتصلة به (اليمنى) شحنة سالبة.

بمجرد أن تكتسب الحلقة اليمنى شحنة سالبة، فإنها تجذب بدورها شحنة موجبة إلى التيار الأيمن. وعندما تنفصل القطرات عن نهاية ذلك التيار، فإنها تحمل شحنة موجبة إلى الدلو المشحون إيجابياً، مما يزيد من شحنة ذلك الدلو الموجبة.

وبالتالي، تنجذب الشحنات الموجبة إلى التيار الأيمن بفعل الحلقة، فتتساقط الشحنة الموجبة في الدلو الأيمن المشحون إيجابياً. وتنجذب الشحنات السالبة إلى التيار الأيسر، فتتساقط الشحنة السالبة في الدلو الأيسر المشحون سلبياً. تُسمى عملية فصل الشحنات هذه التي تحدث في الماء بالحث الكهروستاتيكي . كلما زادت الشحنة المتراكمة في كل دلو، زاد الجهد الكهربائي على الحلقات، وازدادت فعالية عملية الحث الكهروستاتيكي. ^{[ 2 ]} خلال عملية الحث، يتدفق تيار كهربائي على شكل أيونات موجبة أو سالبة في مياه أنابيب الإمداد. وهذا التيار منفصل عن التدفق الرئيسي للماء الذي يسقط عبر الحلقات ويتفتت إلى قطرات في طريقه إلى الحاويات. على سبيل المثال، عندما يقترب الماء من الحلقة المشحونة سلبياً على اليمين، يمكن لأي إلكترونات حرة في الماء أن تهرب بسهولة نحو اليسار، عكس اتجاه تدفق الماء.

في النهاية، عندما تُشحن كلتا الدلوين بشحنة عالية، قد تُلاحظ عدة تأثيرات مختلفة. قد تتولد شرارة كهربائية قصيرة بين الدلوين أو الحلقتين، مما يُقلل الشحنة على كل دلو. إذا كان هناك تدفق ثابت للماء عبر الحلقتين، ولم تكن تيارات الماء متمركزة تمامًا فيهما، يُمكن ملاحظة انحراف التيارات قبل كل شرارة نتيجةً للتجاذب الكهروستاتيكي وفقًا لقانون كولوم للشحنات المتعاكسة. ^{[ 3 ]} مع ازدياد الشحنة، قد يتفرع التدفق السلس والثابت نتيجةً للتنافر الذاتي للشحنات الكلية فيه. إذا تم ضبط تدفق الماء بحيث يتفتت إلى قطرات بالقرب من الحلقتين، فقد تنجذب القطرات إلى الحلقتين بما يكفي لتلامسهما وتُودع شحنتها على الحلقات ذات الشحنة المعاكسة، مما يُقلل الشحنة على ذلك الجانب من النظام. في هذه الحالة أيضًا، ستبدأ الدلوين في صد القطرات المتساقطة نحوهما كهروستاتيكيًا، وقد تدفع القطرات بعيدًا عنهما. كل من هذه التأثيرات سيحد من الجهد الذي يُمكن أن يصل إليه الجهاز. يمكن أن تصل الفولتية التي يصل إليها هذا الجهاز إلى نطاق الكيلوفولت، لكن كميات الشحنة صغيرة، لذلك لا يوجد خطر على الأشخاص أكثر من خطر التفريغات الكهربائية الساكنة الناتجة عن تحريك الأقدام على السجادة، على سبيل المثال.

تمثل الشحنات المتعاكسة المتراكمة على الدلاء طاقة كامنة كهربائية ، كما يتضح من الطاقة المنبعثة على شكل ضوء وحرارة عند مرور شرارة بينهما. وتأتي هذه الطاقة من طاقة الوضع التثاقلية المنبعثة عند سقوط الماء. تبذل قطرات الماء المتساقطة المشحونة شغلاً ضد المجال الكهربائي المعاكس للأوعية المشحونة بنفس الشحنة، والذي يُسلط قوة دافعة لأعلى، محولاً طاقة الوضع التثاقلية إلى طاقة كامنة كهربائية، بالإضافة إلى طاقة حركية . تُهدر الطاقة الحركية على شكل حرارة عند سقوط قطرات الماء في الدلاء، لذا فإن آلة كلفن، عند اعتبارها مولدًا للطاقة الكهربائية، غير فعالة للغاية. ومع ذلك، فإن مبدأ التشغيل هو نفسه كما هو الحال مع أشكال الطاقة الكهرومائية الأخرى . وكما هو الحال دائمًا، فإن الطاقة محفوظة.

إذا كانت الدلاء موصلات معدنية، فإن الشحنة المتراكمة تستقر على السطح الخارجي للمعدن، وليس في الماء. هذا جزء من عملية الحث الكهربائي، وهو مثال على ما يُعرف بـ" دلو فاراداي للثلج ". كذلك، فإن فكرة إدخال كميات صغيرة من الشحنة إلى مركز جسم معدني كبير ذي شحنة صافية كبيرة، كما يحدث في قطارة الماء لكلفن، تعتمد على نفس المبادئ الفيزيائية التي يقوم عليها مولد فان دي غراف .

يتناول النقاش أعلاه موضوع قطرات الماء المشحونة المتساقطة. تحدث تأثيرات الشحن الاستقرائي أثناء استمرار تدفق الماء. ويعود ذلك إلى أن تدفق الماء وانفصال الشحنات يحدثان بالفعل عند اقتراب تيارات الماء من الحلقات، بحيث يكون الماء محمّلاً بشحنة صافية عند مروره عبر الحلقات. وعندما تتشكل القطرات، تُحتجز بعض الشحنة الصافية على كل قطرة بفعل الجاذبية التي تسحبها نحو الوعاء المشحون بشحنة مماثلة.

عندما تكون الحاويات معدنية، يمكن توصيل الأسلاك بالمعدن. وإلا، يجب أن يغمر طرف كل سلك المتصل بالحاوية في الماء. في هذه الحالة الأخيرة، تتمركز الشحنة على سطح الماء، وليس خارج الحاويات.

يمكن توسيع الجهاز ليشمل أكثر من تيارين من القطرات. ^{[ 4 ]}

في عام 2013، قام فريق بحثي مشترك من جامعة توينتي (هولندا) بتصميم نسخة ميكروفلويدية من جهاز تقطير الماء كلفن، والذي يُنتج جهدًا كهربائيًا قادرًا على شحن وتشكيل وتفتيت قطرات الماء متناهية الصغر باستخدام قوة الهواء المضغوط فقط بدلًا من الجاذبية. ^{[ 5 ]} وبعد عام، طوروا نسخة أخرى من جهاز تقطير الماء كلفن الميكروفلويدي، ^{[ 6 ]} باستخدام نفاثة سائلة متناهية الصغر (تتفتت بدورها إلى قطرات متناهية الصغر) تُطلق على هدف معدني، مما حقق كفاءة قصوى بلغت 48%. ^{[ 7 ]}

في كتابه "دي ماغنيت" الذي نُشر عام 1600، أدرج ويليام جيلبرت دراسات حول الكهرباء الساكنة التي ينتجها الكهرمان وتفاعله مع الماء. وقد لاحظ تكوّن هياكل مخروطية على سطح الماء تُعرف الآن باسم مخاريط تايلور .

ومن الدراسات المبكرة الأخرى التي أشارت إلى تفاعل الكهرباء الساكنة مع الماء والتي نُشرت باللغة الإنجليزية ما يلي:

• فرانسيس هوكسبي "تجارب فيزيائية ميكانيكية على مواضيع مختلفة". (1719)
• ويليام واتسون، "تجارب وملاحظات تهدف إلى توضيح طبيعة وخصائص الكهرباء". (1741) (1746)
• جون ثيوفيلوس ديساغولييرز ، "رسالة في الكهرباء" إينيس ولونغمان، لندن 1742 MDCCXLII (1742)
• جوزيف بريستلي ، "تاريخ الكهرباء وحالتها الراهنة مع تجارب أصلية، المجلدات الأول والثاني والثالث (1747)"
• جيمس فيرغسون، "مقدمة في الكهرباء"، دبليو. ستراهان وتي. كاديل، لندن 1770 (1770)
• جورج آدامز، "مقال عن الكهرباء"، لندن (1785)
• تيبيريوس كافالو ، "رسالة كاملة في الكهرباء من الناحية النظرية والتطبيقية مع تجارب أصلية"، المجلد الأول والثاني (1795) (1795)
• جون كوثبرتسون، "الكهرباء العملية"، ج. كالو، لندن (1807)
• جورج جون سينجر، "عناصر الكهرباء والكيمياء الكهربائية"، لونجمان، هيرست، ريس، أورم، وبراون، باترنوستر رو 1814
• جورج دبليو فرانسيس، "تجارب الكهروستاتيكية" (1844)
• هنري مينشين نواد، "دليل الكهرباء" في مجلدين (1857)

بحلول أربعينيات القرن التاسع عشر، أمكن إثبات أن تيارات المياه قادرة على حمل شحنات كهربائية، وأن التيارات التي تحمل شحنات متشابهة تتنافر، بينما التيارات التي تحمل شحنات مختلفة تتجاذب. ^{[ 8 ]} كما أمكن إثبات إمكانية إحداث فصل فيزيائي للشحنات، أي فصل الشحنات إلى مناطق مختلفة، في جسم مائي بواسطة مجال كهربائي ساكن.

استخدم اللورد كلفن هذه القاعدة من المعرفة المتراكمة ليقوم في عام 1859 بإنشاء جهاز يتضمن تفاعل تيار من الماء مع المجال الكهربائي الساكن للأرض لإحداث فصل الشحنات وقياسها لاحقًا لإجراء قياسات الكهرباء الجوية . ^{[ 9 ]}

أظهرت دراسات مولد كلفن الكهروستاتيكي في ظل ظروف تحكم مختلفة أنه يعمل بماء الصنبور، والماء المقطر (غير منزوع الأيونات)، ومحلول مشبع من كلوريد الصوديوم. ^{[ 10 ]} كما وُجد أن المولد يعمل بكفاءة حتى لو كان مصدر تيارَي السائل مختلفين ومعزولين كهربائيًا. وقد اقتُرح نموذجٌ يُعزى فيه توليد الشحنة الكهربائية إلى انفصال أيون الهيدروجين الموجب في المحلول المائي عن أيون الهيدروكسيل السالب في المحلول المائي أثناء تكوّن قطرات الماء.

• قطارة الماء كلفن – معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا OCW
• يوتيوب ("رينهارد شوماخر") – قطارة الماء كلفن: التطبيق والشرح
• يوتيوب ("RimstarOrg") – قطارة الماء كيلفن وكيفية عملها
• يوتيوب ("Veritasium") – شرارات من المياه المتساقطة: عاصفة كيلفن الرعدية
• وصف تفصيلي للجهاز وكيفية صنع قطارة الماء كلفن الخاصة بك.
• قطارة ماء ليغو كيلفن