טפטפת קלווין

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
דיאגרמה של 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשל אופיים הפולארי של המים הם מכילים באופן טבעי יונים. באופן טבעי יש אי הומוגניות מסוימת בחלוקת המטענים החשמליים. תנועת האלקטרונים בתוך המים ומציאותם של היונים גורמת לשבירה ספונטנית של הסימטריה במטענים. אף שהמים אינם טעונים חשמלית, יש מולקולות מים טעונות חלקית (הידועות כהידרונים). כאשר עובר יון דרך אחת הטבעות, הוא מגיע למכל, וגורם לטעינתו. נניח כי יון מים חיובי עבר דרך הטבעת הימנית. היון הזה ינחת במכל הימני, ובגלל החיבור החשמלי, הטבעת השמאלית תיטען אף היא במטען חיובי. אל הטבעת הזו יימשכו יונים בעלי מטען הפוך - כלומר יונים שליליים. משיכתם לטבעת זו גורמת להם לזרום למכל השמאלי. טעינתו של מכל זה במטען שלילי גורמת לטעינת הטבעת הימנית במטען שלילי. כעת, כאשר הטבעות טעונות (ואף במטען קטן ביותר) תחל הפרדתם של מטענים במים. 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, משום שהפרדת המטענים מובילה לעלייה בהפרש הפוטנציאלים, וכך להפרדת מטענים חזקה יותר. לאחר שהפרש 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-מולוקולריים 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • הדגמה של טפטפת קלווין על ידי פרופסור וולטר לווין מ- MIT.