טפטפת קלווין

טפטפת קלווין, הקרויה על שמו של לורד קלווין, היא גנרטור אלקטרוסטטי. קלווין כינה את המכשיר מעבה טיפות מים. המכשיר מבוסס על טפטוף של טיפות מים לשם יצירת הפרשי פוטנציאלים תוך שימוש בהשראה חשמלית בין מערכות בעלות מטענים הפוכים. 

מבנה המכשיר
מבנהו של המכשיר מבוסס על שתי טבעות מתכת ושני מכלים העשויים מחומרים מוליכים. מכל מים מונח בראש הטפטפת. מים מטפטפים באופן קצוב משני פתחים קטנים במכל. כל זרם מים עובר דרך אחת מטבעות המתכת אל אחד מהמכלים. כל אחד מהמכלים מחובר באמצעות חוט מוליך לטבעת שבצד הנגדי. כלומר, הטבעת הימנית מחוברת אל המכל השמאלי ולהפך. שני המכלים המוליכים מופרדים במרווח קטן.

תיאור התופעה
כאשר מתחילה זרימת המים, יוצאים המים מן החורים וזורמים באופן חופשי דרך הטבעות אל המכלים. המכלים מתמלאים אט-אט במים. באופן ספונטני, כעבור זמן קצר (תלוי בקצב זרימת המים ובממדי המערכת) נפגעת האחידות של זרימת המים, ובמקום לזרום בקילוח אחיד, המים יורדים ברסס. זמן קצר לאחר השינוי באופן הזרימה מופיעה קשת חשמלית לשבריר שנייה בין המכלים. קשת זו נובעת מהפרש פוטנציאלים של עשרות אלפי וולט בין המכלים.

הסבר התופעה
למרות שמים באופן כללי אינם טעונים, מים "טבעיים" הם תמיסה של מלחים וחומרים אחרים ולכן מכילים יונים שונים. אפילו מים מזוקקים מכילים באופן טבעי יונים (הידרוניום והידרוקסידים). כיוון שבקנה מידה קטן ישנה אי הומוגניות מסוימת בחלוקת המטענים החשמליים, כאשר נפרדת טיפה מן המאגר היא לא בהכרח נייטרלית (אך גם אם אינה נייטרלית, מטענה זעיר). כשעוברת טיפה טעונה דרך אחת הטבעות, היא מגיעה למכל גורמת לטעינתו. נניח כי טיפת מים חיובית עברה דרך הטבעת הימנית. טיפה זו תנחת במכל הימני, ובגלל החיבור החשמלי בינו לטבעת השמאלית, גם היא תיטען במטען חיובי. אל הטבעת הזו יימשכו יונים בעלי מטען הפוך – כלומר יונים שליליים. משיכתם לטבעת זו גורמת להם לזרום לצידו השמאלי של המכל העליון ולהגדלת הסיכוי לטפטוף טיפות שליליות מהאביק השמאלי אל המכל השמאלי. טעינתו של מכל זה במטען שלילי גורמת לטעינת הטבעת הימנית במטען שלילי. כעת, כאשר הטבעות טעונות (ואף במטען קטן ביותר) תימשך הפרדתם של מטענים במים: לאט לאט המים הטעונים שלילית יימשכו אל הטבעת הטעונה חיובית (כלומר הטבעת השמאלית), והמים הטעונים חיובית יימשכו אל הטבעת הטעונה שלילית (כלומר זו הימנית). כך מתרחשת הפרדה של מטענים ומתקבל הפרש פוטנציאלים גדול ביותר. הפרדת המטענים נובעת מתהליך של משוב חיובי, כלומר הפרדת המטענים מובילה לעלייה בהפרש הפוטנציאלים, ולהפרדת מטענים חזקה יותר שתוביל לעלייה גדולה יותר בהפרש הפוטנציאלים וכך הלאה. אם הפרש הפוטנציאלים גבוה די הצורך, זרם חשמלי יכול לפרוץ דרך האוויר, בין שני המכלים, ומתקבלת קשת חשמלית הנובעת מיינון האוויר. 

בהסבר זה טמון גם הגורם לשינוי באופן זרימת המים. כאשר הפרדת המטענים נעשית משמעותית, והמים שזורמים בצד כלשהו הם בעלי מטען זהה, מתבצעת דחייה חשמלית. מולקולות המים שבאותו הזרם דוחות זו את זו - כוח המתגבר על הקשרים הבין-מולקולריים הקוולנטים, וגורם לזרימה לא אחידה. דחייה חשמלית זו אף גורמת לפריסה של זרם המים. השינוי באופן זרימת המים הוא אינדיקציה להצטברות מטענים רבים ואכן לרוב לאחר שינוי זה מופיעה הקשת החשמלית.

התהליך חוזר ונשנה, כאשר לאחר כל פריקת מטענים באמצעות הקשת החשמלית, מטעני המכלים וטבעות מתאפסים.

קישורים חיצוניים




קטגוריה:ייצור חשמל