gotero de agua Kelvin

El generador de gotas de agua de Kelvin , inventado por el científico escocés William Thomson (Lord Kelvin) en 1867, ^{[ 1 ]} es un tipo de generador electrostático . Kelvin se refería al dispositivo como su condensador de gotas de agua . El aparato recibe diversos nombres, como generador hidroeléctrico de Kelvin , generador electrostático de Kelvin o tormenta eléctrica de Lord Kelvin . El dispositivo utiliza agua que cae para generar diferencias de voltaje mediante inducción electrostática entre sistemas interconectados con cargas opuestas . Esto finalmente produce una descarga de arco eléctrico en forma de chispa. Se utiliza en la enseñanza de la física para demostrar los principios de la electrostática .

En la figura 1 se muestra una configuración típica. Un depósito de agua u otro líquido conductor (arriba, gris) está conectado a dos mangueras que liberan dos chorros de gotas que caen en dos cubos o recipientes (abajo, azul y rojo). Cada chorro pasa (sin tocarse) a través de un anillo metálico o cilindro abierto conectado eléctricamente al recipiente receptor opuesto; el anillo izquierdo (rojo) está conectado al cubo derecho, mientras que el anillo derecho (azul) está conectado al cubo izquierdo. Los recipientes deben estar aislados eléctricamente entre sí y de tierra. Del mismo modo, los anillos deben estar aislados eléctricamente entre sí y de su entorno. Los chorros deben dividirse en gotas individuales antes de llegar a los recipientes. Normalmente, los recipientes son de metal y los anillos están conectados a ellos mediante cables.

Su sencilla construcción hace que este dispositivo sea popular en la enseñanza de la física como experimento de laboratorio para estudiantes.

Una versión de la máquina de 1918.

Dibujo original de Kelvin de 1867.

Réplica de la máquina vendida para uso educativo.

En la máquina original de Kelvin, en lugar de cubos, tras caer a través de los electrodos de carga, las gotas caen en embudos metálicos que recogen la carga pero dejan pasar el agua. La carga se almacena en dos condensadores de botella de Leyden (grandes objetos cilíndricos).

Es necesaria una pequeña diferencia inicial de carga eléctrica entre los dos recipientes, que siempre existe porque están aislados entre sí, para que comience el proceso de carga. Supongamos, por lo tanto, que el recipiente de la derecha tiene una pequeña carga positiva. Ahora bien, el anillo de la izquierda también tiene una carga positiva porque está conectado al recipiente. La carga del anillo de la izquierda atraerá cargas negativas del agua ( iones ) hacia el chorro de la izquierda mediante la atracción electrostática de Coulomb . Cuando una gota se desprende del extremo del chorro de la izquierda, lleva consigo una carga negativa. Cuando la gota de agua cargada negativamente cae en su recipiente (el de la izquierda), le confiere a ese recipiente y al anillo conectado (el de la derecha) una carga negativa.

Una vez que el anillo derecho tiene una carga negativa, atrae de forma similar una carga positiva hacia el chorro de la derecha. Cuando las gotas se desprenden del extremo de ese chorro, transportan carga positiva al cubo, que ya tiene carga positiva, lo que hace que ese cubo se cargue aún más positivamente.

Así, las cargas positivas son atraídas hacia la corriente derecha por el anillo, y la carga positiva gotea en el cubo derecho cargado positivamente. Las cargas negativas son atraídas hacia la corriente izquierda y la carga negativa gotea en el cubo izquierdo cargado negativamente. Este proceso de separación de carga que ocurre en el agua se llama inducción electrostática . Cuanto mayor sea la carga que se acumula en cada cubo, mayor será el potencial eléctrico en los anillos y más efectivo será este proceso de inducción electrostática. ^{[ 2 ]} Durante el proceso de inducción, hay una corriente eléctrica que fluye en forma de iones positivos o negativos en el agua de las líneas de suministro. Esto es independiente del flujo principal de agua que cae a través de los anillos y se divide en gotas en su camino hacia los contenedores. Por ejemplo, a medida que el agua se acerca al anillo cargado negativamente de la derecha, cualquier electrón libre en el agua puede huir fácilmente hacia la izquierda, en contra del flujo de agua.

Finalmente, cuando ambos recipientes se hayan cargado considerablemente, se podrán observar diversos efectos. Una chispa eléctrica podría saltar brevemente entre los dos recipientes o anillos, disminuyendo la carga de cada uno. Si el flujo de agua a través de los anillos es constante y no está perfectamente centrado, se podrá observar la desviación del flujo antes de cada chispa debido a la atracción electrostática, según la ley de Coulomb para cargas opuestas. ^{[ 3 ]} A medida que aumenta la carga, un flujo suave y constante podría expandirse debido a la repulsión de las cargas netas en el flujo. Si el flujo de agua se ajusta de manera que se formen gotas cerca de los anillos, estas podrían ser atraídas lo suficiente como para tocarlos y depositar su carga en los anillos de carga opuesta, lo que disminuiría la carga en ese lado del sistema. En ese caso, los recipientes también comenzarían a repeler electrostáticamente las gotas que caen hacia ellos, pudiendo expulsarlas lejos de los recipientes. Cada uno de estos efectos limitará el voltaje que puede alcanzar el dispositivo. Los voltajes que alcanza este dispositivo pueden estar en el rango de los kilovoltios, pero las cantidades de carga son pequeñas, por lo que no existe más peligro para las personas que el de las descargas electrostáticas producidas al arrastrar los pies sobre una alfombra, por ejemplo.

Las cargas opuestas que se acumulan en los cubos representan energía potencial eléctrica , como lo demuestra la energía liberada en forma de luz y calor cuando una chispa pasa entre ellos. Esta energía proviene de la energía potencial gravitatoria liberada cuando el agua cae. Las gotas de agua cargadas que caen realizan trabajo contra el campo eléctrico opuesto de los recipientes con carga similar, que ejerce una fuerza ascendente sobre ellas, convirtiendo la energía potencial gravitatoria en energía potencial eléctrica, más energía cinética de movimiento . La energía cinética se disipa en forma de calor cuando las gotas de agua caen en los cubos, por lo que, considerada como generador de energía eléctrica , la máquina Kelvin es muy ineficiente. Sin embargo, el principio de funcionamiento es el mismo que en otras formas de energía hidroeléctrica . Como siempre, la energía se conserva.

Si los cubos son conductores metálicos, la carga acumulada reside en la superficie del metal, no en el agua. Esto forma parte del proceso de inducción eléctrica y es un ejemplo del experimento del cubo de hielo de Faraday . Asimismo, la idea de introducir pequeñas cantidades de carga en el centro de un objeto metálico grande con una carga neta elevada, como ocurre en el gotero de Kelvin, se basa en los mismos principios físicos que el funcionamiento de un generador de Van de Graaff .

La explicación anterior se refiere a gotas cargadas que caen. Los efectos de carga inductiva ocurren mientras el flujo de agua es continuo. Esto se debe a que el flujo y la separación de carga se producen cuando las corrientes de agua se aproximan a los anillos, de modo que cuando el agua pasa a través de ellos, ya tiene una carga neta. Cuando se forman las gotas, parte de la carga neta queda atrapada en cada una de ellas, ya que la gravedad las atrae hacia el recipiente con carga similar.

Cuando los recipientes son de metal, los cables pueden fijarse al metal. De lo contrario, el extremo de cada cable que se conecta al recipiente debe sumergirse en el agua. En este último caso, la carga reside en la superficie del agua, no fuera de los recipientes.

El aparato puede extenderse a más de dos corrientes de gotas. ^{[ 4 ]}

En 2013, un grupo conjunto de la Universidad de Twente (Países Bajos) construyó una versión microfluídica del gotero de agua de Kelvin, que produce voltajes eléctricos capaces de cargar, deformar y romper gotas de agua de tamaño micrométrico utilizando únicamente fuerza neumática en lugar de gravedad. ^{[ 5 ]} Un año después, desarrollaron otra versión de un gotero de agua de Kelvin microfluídico, ^{[ 6 ]} utilizando un chorro de líquido a microescala (que luego se rompía en microgotas) disparado sobre un objetivo metálico, que produjo una eficiencia máxima del 48 %. ^{[ 7 ]}

En De Magnete , publicado en 1600, William Gilbert incluyó estudios sobre la electricidad estática producida por el ámbar y su interacción con el agua. Observó la formación de estructuras cónicas en el agua, que hoy en día se conocen comúnmente como conos de Taylor .

Otros estudios iniciales que observaron la interacción de la electricidad estática con el agua y que se publicaron en inglés incluyen:

• Francis Hauksbee, "Experimentos físico-mecánicos sobre diversos temas". (1719)
• William Watson, "Experimentos y observaciones que tienden a ilustrar la naturaleza y las propiedades de la electricidad". (MDCCXLVI) (1741)
• Juan Teófilo Desaguliers , "Disertación sobre la electricidad", Innys and Longman, Londres MDCCXLII (1742)
• Joseph Priestley , "Historia y estado actual de la electricidad con experimentos originales, volúmenes I, II y III (MDCCLXVII) (1747)"
• James Ferguson, "Introducción a la electricidad", W. Strahan y T. Cadell, Londres MDCCLXX (1770)
• George Adams, "Ensayo sobre la electricidad", Londres (1785)
• Tiberius Cavallo , "Tratado completo sobre la electricidad en teoría y práctica con experimentos originales", volúmenes I y II (MDCCXCV) (1795)
• John Cuthbertson, "Electricidad práctica", J. Callow, Londres (1807)
• George John Singer, "Elementos de electricidad y electroquímica", Longman, Hurst, Rees, Orme y Brown, Paternoster Row, 1814
• George W. Francis, "Experimentos electrostáticos" (1844)
• Henry Minchin Noad, "Manual de electricidad" en dos volúmenes (1857)

Hacia la década de 1840 se pudo demostrar que las corrientes de agua podían transportar carga eléctrica, que las corrientes con carga del mismo signo se repelían y que las corrientes con carga opuesta se atraían. ^{[ 8 ]} También se pudo demostrar que la separación física de carga, es decir, la separación de la carga en diferentes regiones, podía inducirse en una masa de agua mediante un campo eléctrico estático.

Lord Kelvin utilizó esta base de conocimiento acumulado para, en 1859, crear un aparato que implicaba la interacción de una corriente de agua con el campo eléctrico estático de la Tierra para provocar la separación de cargas y la posterior medición de la carga para realizar mediciones de electricidad atmosférica . ^{[ 9 ]}

Las investigaciones del generador electrostático Kelvin bajo diversas condiciones controladas demostraron que funcionaba con agua del grifo, agua destilada (no desionizada) y una solución saturada de NaCl. ^{[ 10 ]} También se observó que el generador funcionaba correctamente incluso si las dos corrientes líquidas provenían de depósitos eléctricamente aislados diferentes. Se propuso un modelo en el que la carga eléctrica resulta de la separación del ion hidrógeno acuoso positivo y el ion hidroxilo acuoso negativo a medida que se forman las gotas de agua.

• Gotero de agua Kelvin – MIT OCW
• YouTube ("Reinhard Schumacher") – Gotero de agua Kelvin: Implementación y explicación
• YouTube ("RimstarOrg") – El gotero de agua Kelvin y cómo funciona
• YouTube ("Veritasium") – Chispas de Falling Water: La tormenta eléctrica de Kelvin
• Descripción detallada del dispositivo y cómo construir su propio cuentagotas de agua Kelvin.
• Gotero de agua Lego Kelvin