წყლის წვეთების პოტენციური ენერგიის
გარდაქმნა ელექტროენერგიად
დანადგარი, რომელიც, წყლის წვეთების პოტენციური ენერგიის გარდაქმნით ელექტრული მუხტის დაგროვების საშუალებას იძლევა და ქმნის დაახლოებით 15 000-20 000 ვოლტ პოტენციალთა სხვობას ცნობილია კელვინის მწვეთარას სახელწოდებით.
იგი უმარტივესი მოწყობილობაა, რომელიც მუშაობს წყლის წვეთების პოლარიზაციის საფუძველზე და დანადგარის ელემენტებზე აგროვებს მუხტს. ენერგიის მისაღები (უფრო სწორად გარდასაქმნელი) ეს ორიგინალური მეთოდი მოიფიქრა უილიამ კელვინმა (ლორდ კელვინმა) და აღწერილია წიგნში:
Дж. Уокера “Физический фейерверк”, Москва, “Мир”, 1989 г
სურ. 1
კელვინის მწვეთარა
1,2 _ ზედა ლითონის ქილები მოჭრილი ფსკერით,
3,4 _ ქვედა ლითონის ქილები,
5,6 _ გამტარები,
7,8 _ წყლის ჭავლები,
9,10 _ ვენტილები ან მომჭერები,
11 _ ნეონის ნათურა.
სურ. 2
Томсон, Уильям (лорд Кельвин)Уильям Томсон (1824—1907)
Уильям Томсон, лорд Кельвин (англ. William Thomson, 1st Baron Kelvin; 26 июня 1824, Белфаст — 17 декабря 1907, Ларгс (en:Largs), Эршир (en:Ayrshire), Шотландия)
Один из величайших физиков. Предки Томсона были ирландские фермеры; отец его Джемс Томсон (1776—1849), известный математик, был с 1814 г. учителем в Belfast Academical Institution, затем с 1832 г. профессор математики в Глазго; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Уильям Томсон вместе со старшим братом, Джемсом учились в колледже в Глазго, а затем в St. Peter Kolleǵe в Кембридже, в котором Томсон закончил курс наук в 1845 г.
В 1846 г. двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками.
В 1866 г. Томсон возведён в дворянское достоинство, в 1892 г. королева Виктория пожаловала ему пэрство с титулом «барон Кельвин».
Ещё студентом, Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики и в замечательном исследовании «The uniform motion of heat in homogeneous solid and its connection with the mathematical theory of electricity» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении земли.
В 1845 г., находясь в Париже, Томсон начинает в журнале Лиувилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.
С 1849 г. начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Réflexions sur la puissance motлее du feu» (1824) для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит первую формулировку второго принципа термодинамики.
В 1852 г. Томсон даёт другую формулировку его, именно учение об рассеянии энергии (dissipation of energy).
В том же году Томсон совместно с Джоулем производит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории газов идеальных к теории действительных газов.
Начатая в 1855 г. работа по термоэлектричеству («Electrodynamic Qualities of Metals») вызвала усиленную экспериментальную работу; в работе принимали участие студенты, и это положило начало практическим работам студентов в университете Глазго — первым в Англии, а также начало лаборатории по физике в Глазго.
В пятидесятых годах Томсон заинтересовывается вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно, Томсон выводит условия существования колебательного электрического разряда (1853), вновь найденные позже Кирхгоффом (1864) и легшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Томсона с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию лота и компаса. (1872—1876).
В «Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa» (1896) приведён список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Томсону. Упомянем лишь некоторые предметы его работ: термодинамические исследования, приведшие кроме того ещё к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в 1887 г. премией от эдинбургского королевского общества); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так наз. «явления Томсона» — переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости (1862—1863), в которых Томсон расширяет теорию шаровых функций; работы по динамической геологии.
Не менее замечательна деятельность Томсона в практической физике и технике; ему принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике, как то: зеркального гальванометра, сифон-рекордера, квадрантного и абсолютного электрометров, нормального элемента компаса, лота и множества технических измерительных электрических приборов, между которыми особенно замечательны «ампер-весы», применяемые для выверки электрических приборов; между множеством патентов, взятых Томсоном, встречаются таковые и на чисто практические приспособления, как, например, на водопроводные краны.
Из книг, изданных Томсоном, наибольшею известностью пользуется «Treatise on natural philosophy» (т. 1, вместе с Тэтот, 3-е изд. в 1883 г., немец. перев. под ред. Гельмгольца), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.
Статьи Томсона перепечатаны в его «Reprints of papers on electrostatic and magnetism» (1872), «Mathematical and physical papers» (1882—1883) и «Popular lectures and adresses».
В «Encyclopedia Britannica» (1880) помещены две знаменитые статьи Томсона — «Elasticity» и «Heat».
გარდაქმნა ელექტროენერგიად
დანადგარი, რომელიც, წყლის წვეთების პოტენციური ენერგიის გარდაქმნით ელექტრული მუხტის დაგროვების საშუალებას იძლევა და ქმნის დაახლოებით 15 000-20 000 ვოლტ პოტენციალთა სხვობას ცნობილია კელვინის მწვეთარას სახელწოდებით.
იგი უმარტივესი მოწყობილობაა, რომელიც მუშაობს წყლის წვეთების პოლარიზაციის საფუძველზე და დანადგარის ელემენტებზე აგროვებს მუხტს. ენერგიის მისაღები (უფრო სწორად გარდასაქმნელი) ეს ორიგინალური მეთოდი მოიფიქრა უილიამ კელვინმა (ლორდ კელვინმა) და აღწერილია წიგნში:
Дж. Уокера “Физический фейерверк”, Москва, “Мир”, 1989 г
სურ. 1კელვინის მწვეთარა
1,2 _ ზედა ლითონის ქილები მოჭრილი ფსკერით,
3,4 _ ქვედა ლითონის ქილები,
5,6 _ გამტარები,
7,8 _ წყლის ჭავლები,
9,10 _ ვენტილები ან მომჭერები,
11 _ ნეონის ნათურა.
სურ. 2
სქემაზე (სურ.1) რიცხვებით მინიშნებული ერთი წყვილი 1 და 3, ხოლო მეორე წყვილი 2 და 4 ლითონის ქილები განლაგებულია ერთმანეთის ქვეშ ისე, როგორც ნაჩვენებია დანადგარის სურათზე (სურ. 2) და კარგად არიან იზოლირებულები. გამტარით 5 ზედა მარცხენა ქილა 1 შეერთებულია მარჯვენა ქვედა ქილასთან 4, ხოლო გამტარით 6 ზედა მარჯვენა ქილა 2 შეერთებულია ქვედა მარცხენა ქილასთან 3. ზედა ქილებთან 1 და 2 ახლოს განლაგებულია მილები 7 და 8, რომლებიდანაც წამოსული წყლის წვეთები გაივლინ რა უფსკერო ზედა ქილებს 1 და 2 შორის, გროვდებიან ქვედა ქილებში 3 და 4. ბუნებრივია ქილები კარგად უნდა იყოს იზოლირებულები.
კელვინის მწვეთარას მუშაობისათვის ვენტილები ან მომჭერები 9 და 10 წყლის ინტენსიური მიწოდებისათვის ისე უნდა დავარეგულიროთ, რომ მისი ჭავლები ზედა ქილების 1 და 2 დონეზე დაიყოს წვეთებად. დასაწყისში, როდესაც მიაწოდებენ წყალს, ქილებიდან ერთს აქვს ოდნავ ზედმეტი უარყოფითი მუხტი, ვიდრე მეორეს. კონკრეტულად რომელ ქილას აქვს მეტი მუხტი ეს შემთხვევითია და გამოწვეულია ბუნებრივი რადიაქტივობით ან კოსმოსური გამოსხივებით.
დავუშვათ, რომ დიდი უარყოფითი მუხტი აქვს ქვედა მარცხენა ქილას 3. მაშინ, ვინაიდან ქილები გამტარებით შეერთებულია ჯვარედინად, ზედა მარჯვენა ქილას 2 აგრეთვე ექნება უარყოფითი მუხტი, ვიდრე ზედა მარცხენა ქილას 1. წყლის მარჯვენა ჭავლი, გადის რა მარჯვენა ქილაში პოლიარიზდება. თუ წვეთები წარმოიქმნებიან ზუსტად ამ ქილის ზედა კიდესთან, მაშინ ისინი დაიმუხტებიან დადებითად, ვინაიდან რადგანაც უარყოფითად დამუხტული ქილისაგან 2 უარყოფითი მუხტი განიზიდება ჭავლში ზევით. შემდეგ ეს დადებითად დამუხტული წვეთები გროვდებიან მარჯვენა ქვედა ქილაში 4, და მისი მუხტი იზრდება. რადგან მარჯვნა ქვედა ქილა 4 გამტარით შეერთებულია მარცხენა ზედა ქილასთან 1, ამიტომ ეს ქილა დადებითად დაიმუხტება და მოახდენს წყლის ჭავლის პოლარიზაციას ისე, რომ აქ წვეთები დაიმუხტება უარყოფითად. ისინი გროვდებიან რა მარცხენა ქვედა ქილაში 3, ამიტომ იგი იმუხტება უარყოფითად. ამრიგად ქვედა (აგრეთვე ზედა) ქილებს შორის იქმნება პოტენციალთა სხვაობა. მიუხედავად იმისა, რომ ქილებს შორის საწყისი პოტენციალთა სხვაობა უმნიშვნელოა, ზოგიერთი თვითნაკეთი კელვინის მწვეთარით მიიღება 15 -20 კილოვოლტი პოტენციალთა სხვაობა.
თუ ქვედა ქილებს გამტარებით შევუერთებთ ნეონის ნათურას 11, დანადგარის მუშაობისას, ქილებზე გარკვეული მუხტის დაგროვებისას, ის პერიოდულად დაიწყებს ფეთქს (ნათებას). საოცარია, რომ ცარიელი კონსერვის ქილებისაგან და გამტარების ნაჭრებისაგან საშინაო პირობებში შეიძლება დავამზადოთ ნამდვილი ელექრტული გენერატორი, და თანაც როგორი - ელექტრული მუხტების პოტენციალთა სხვაობით 15 000 – 20 000 ვ ! საოცარია ისიც, რომ ამ უმარტივეს დანადგარში ჩვეულებრივი ვარდნილი წყლის წვეთების პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება ქილებში დაგროვებული ელექტროსტატიკური მუხტების ელექრტული ველის ენერგიად. ამრიგად კელვინის მწვეთარა წარმოადგენს ელექტროსტატიკურ გენერატორს.
აღწერილიდან გამომდინარეობს, რომ პრინციპში შესალებელია ამ მეთოდით ბატარეის აგება, რომელიც შედგება ზემოთ აღწერილი რამდენიმე ბლოკისაგან და უფრო მეტი მუხტის და შესაბამისად პოტენციალთა სხვაობის დაგროვების საშუალებას მოგვცემს. რისთვისაც საჭიროა ქვედა ქილებიდან წყლის ისე შეგროვება, რომ ამ პროცესმა გავლენა არ მოახდინოს მუხტების დაგროვებაზე. მაგრამ ეს საკითხი ჯერ გადაუწყვეტელია.
კელვინის მწვეთარას მუშაობისათვის ვენტილები ან მომჭერები 9 და 10 წყლის ინტენსიური მიწოდებისათვის ისე უნდა დავარეგულიროთ, რომ მისი ჭავლები ზედა ქილების 1 და 2 დონეზე დაიყოს წვეთებად. დასაწყისში, როდესაც მიაწოდებენ წყალს, ქილებიდან ერთს აქვს ოდნავ ზედმეტი უარყოფითი მუხტი, ვიდრე მეორეს. კონკრეტულად რომელ ქილას აქვს მეტი მუხტი ეს შემთხვევითია და გამოწვეულია ბუნებრივი რადიაქტივობით ან კოსმოსური გამოსხივებით.
დავუშვათ, რომ დიდი უარყოფითი მუხტი აქვს ქვედა მარცხენა ქილას 3. მაშინ, ვინაიდან ქილები გამტარებით შეერთებულია ჯვარედინად, ზედა მარჯვენა ქილას 2 აგრეთვე ექნება უარყოფითი მუხტი, ვიდრე ზედა მარცხენა ქილას 1. წყლის მარჯვენა ჭავლი, გადის რა მარჯვენა ქილაში პოლიარიზდება. თუ წვეთები წარმოიქმნებიან ზუსტად ამ ქილის ზედა კიდესთან, მაშინ ისინი დაიმუხტებიან დადებითად, ვინაიდან რადგანაც უარყოფითად დამუხტული ქილისაგან 2 უარყოფითი მუხტი განიზიდება ჭავლში ზევით. შემდეგ ეს დადებითად დამუხტული წვეთები გროვდებიან მარჯვენა ქვედა ქილაში 4, და მისი მუხტი იზრდება. რადგან მარჯვნა ქვედა ქილა 4 გამტარით შეერთებულია მარცხენა ზედა ქილასთან 1, ამიტომ ეს ქილა დადებითად დაიმუხტება და მოახდენს წყლის ჭავლის პოლარიზაციას ისე, რომ აქ წვეთები დაიმუხტება უარყოფითად. ისინი გროვდებიან რა მარცხენა ქვედა ქილაში 3, ამიტომ იგი იმუხტება უარყოფითად. ამრიგად ქვედა (აგრეთვე ზედა) ქილებს შორის იქმნება პოტენციალთა სხვაობა. მიუხედავად იმისა, რომ ქილებს შორის საწყისი პოტენციალთა სხვაობა უმნიშვნელოა, ზოგიერთი თვითნაკეთი კელვინის მწვეთარით მიიღება 15 -20 კილოვოლტი პოტენციალთა სხვაობა.
თუ ქვედა ქილებს გამტარებით შევუერთებთ ნეონის ნათურას 11, დანადგარის მუშაობისას, ქილებზე გარკვეული მუხტის დაგროვებისას, ის პერიოდულად დაიწყებს ფეთქს (ნათებას). საოცარია, რომ ცარიელი კონსერვის ქილებისაგან და გამტარების ნაჭრებისაგან საშინაო პირობებში შეიძლება დავამზადოთ ნამდვილი ელექრტული გენერატორი, და თანაც როგორი - ელექტრული მუხტების პოტენციალთა სხვაობით 15 000 – 20 000 ვ ! საოცარია ისიც, რომ ამ უმარტივეს დანადგარში ჩვეულებრივი ვარდნილი წყლის წვეთების პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება ქილებში დაგროვებული ელექტროსტატიკური მუხტების ელექრტული ველის ენერგიად. ამრიგად კელვინის მწვეთარა წარმოადგენს ელექტროსტატიკურ გენერატორს.
აღწერილიდან გამომდინარეობს, რომ პრინციპში შესალებელია ამ მეთოდით ბატარეის აგება, რომელიც შედგება ზემოთ აღწერილი რამდენიმე ბლოკისაგან და უფრო მეტი მუხტის და შესაბამისად პოტენციალთა სხვაობის დაგროვების საშუალებას მოგვცემს. რისთვისაც საჭიროა ქვედა ქილებიდან წყლის ისე შეგროვება, რომ ამ პროცესმა გავლენა არ მოახდინოს მუხტების დაგროვებაზე. მაგრამ ეს საკითხი ჯერ გადაუწყვეტელია.
http://www.youtube.com/watch?v=DVNdM89DgTs
http://www.youtube.com/watch?v=yDun7ILKrUI
http://www.youtube.com/watch?v=P8O6kkLU0Fk
http://www.youtube.com/watch?v=uGqd1ymyYIo
http://www.youtube.com/watch?v=yDun7ILKrUI
http://www.youtube.com/watch?v=P8O6kkLU0Fk
http://www.youtube.com/watch?v=uGqd1ymyYIo
Томсон, Уильям (лорд Кельвин)Уильям Томсон (1824—1907)
Уильям Томсон, лорд Кельвин (англ. William Thomson, 1st Baron Kelvin; 26 июня 1824, Белфаст — 17 декабря 1907, Ларгс (en:Largs), Эршир (en:Ayrshire), Шотландия)
Один из величайших физиков. Предки Томсона были ирландские фермеры; отец его Джемс Томсон (1776—1849), известный математик, был с 1814 г. учителем в Belfast Academical Institution, затем с 1832 г. профессор математики в Глазго; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Уильям Томсон вместе со старшим братом, Джемсом учились в колледже в Глазго, а затем в St. Peter Kolleǵe в Кембридже, в котором Томсон закончил курс наук в 1845 г.
В 1846 г. двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками.
В 1866 г. Томсон возведён в дворянское достоинство, в 1892 г. королева Виктория пожаловала ему пэрство с титулом «барон Кельвин».
Ещё студентом, Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики и в замечательном исследовании «The uniform motion of heat in homogeneous solid and its connection with the mathematical theory of electricity» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении земли.
В 1845 г., находясь в Париже, Томсон начинает в журнале Лиувилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.
С 1849 г. начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Réflexions sur la puissance motлее du feu» (1824) для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит первую формулировку второго принципа термодинамики.
В 1852 г. Томсон даёт другую формулировку его, именно учение об рассеянии энергии (dissipation of energy).
В том же году Томсон совместно с Джоулем производит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории газов идеальных к теории действительных газов.
Начатая в 1855 г. работа по термоэлектричеству («Electrodynamic Qualities of Metals») вызвала усиленную экспериментальную работу; в работе принимали участие студенты, и это положило начало практическим работам студентов в университете Глазго — первым в Англии, а также начало лаборатории по физике в Глазго.
В пятидесятых годах Томсон заинтересовывается вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно, Томсон выводит условия существования колебательного электрического разряда (1853), вновь найденные позже Кирхгоффом (1864) и легшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Томсона с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию лота и компаса. (1872—1876).
В «Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa» (1896) приведён список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Томсону. Упомянем лишь некоторые предметы его работ: термодинамические исследования, приведшие кроме того ещё к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в 1887 г. премией от эдинбургского королевского общества); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так наз. «явления Томсона» — переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости (1862—1863), в которых Томсон расширяет теорию шаровых функций; работы по динамической геологии.
Не менее замечательна деятельность Томсона в практической физике и технике; ему принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике, как то: зеркального гальванометра, сифон-рекордера, квадрантного и абсолютного электрометров, нормального элемента компаса, лота и множества технических измерительных электрических приборов, между которыми особенно замечательны «ампер-весы», применяемые для выверки электрических приборов; между множеством патентов, взятых Томсоном, встречаются таковые и на чисто практические приспособления, как, например, на водопроводные краны.
Из книг, изданных Томсоном, наибольшею известностью пользуется «Treatise on natural philosophy» (т. 1, вместе с Тэтот, 3-е изд. в 1883 г., немец. перев. под ред. Гельмгольца), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.
Статьи Томсона перепечатаны в его «Reprints of papers on electrostatic and magnetism» (1872), «Mathematical and physical papers» (1882—1883) и «Popular lectures and adresses».
В «Encyclopedia Britannica» (1880) помещены две знаменитые статьи Томсона — «Elasticity» и «Heat».
Комментариев нет:
Отправить комментарий