【科學奧秘】第八集: 開爾文水力發電裝置--世界首個水力發電裝置詳解

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電力和電性

「電力」, 這個詞彙, 在17世紀前科學還尚未成熟的早期文明時代, 是未被足夠了解的, 甚至經常與「磁力」弄混, 因為電磁力經常就是一起產生。而到了17世紀後期, 「摩擦起電」才被用來當作為最可靠的發電方式。至於發電裝置這個東西, 卻是過了一個世紀後, 才被製作出來。

水的電荷分離現象, 則是到19世紀中期才被發現。當時用到的方法就是「摩擦起電」。而開爾文發明的這個裝置, 卻是證明了, 不需要摩擦起電, 僅僅是有電場存在, 就可以使水帶有電性。

「電性」, 也就是正電荷和負電荷, 是即使到現在也無法完全觀測到的物質, 它只是科學上為了方便解釋, 假想的一個設定。是富蘭克林定義了正負電性之分。利用正負電性, 我們就輕而易舉的解釋了電荷的運動特性, 那就是「同性相斥, 異性相吸」的庫倫定律。電性相同的電荷之間會互相吸引, 靠近, 電性相反的電荷之間會相互排斥, 遠離。

裝置原理

所以, 在已知水本身就可以具有正負電性的前提下, 為了證明, 在普通的電場裡, 水也可以被分離出正負電性, 就只需要證明, 在電場裡面的水, 分別具有不同的電性即可。怎樣檢測出水具有不同的電性呢? 利用庫倫定律檢測即可。只要用具有不同電性的導電體, 去接觸水, 就可以使水產生不同的電性, 反過來也是一樣。

這種現象又稱為「靜電」。是指其中一個被充電而帶有, 假設是正電電荷, 將這個正電物質A去靠近但不接觸一個電中性金屬導電體B, 那B內部的負電荷就會被吸引過去, 形成一堆堆積在靠近A的表面附近, 當A此時離開B時並且B的正電荷流入地面時, B內部的負電荷就重新回歸均勻分布, 於是B就成了帶電的導電體, 電性為負。

靜電01

那這裡要注意的是, 這個導電體B一開始要與地面接觸, 被A靠近後, 再使它單獨隔離地面, 才會具負電。因為如果不與地面接觸, 它會形成內部電荷分布不均勻的電中性的, 也就是我們說的「不帶電」。但使它單獨隔離地面這個過程比較麻煩, 所以我們一般會在一開始就會把被接觸的導電體B放在絕緣底座上, 當帶正電A的物質靠近時, 只須用手指觸碰一下B的表面, 就可以使B內部相反的電荷通過手指流入地表中和掉, B就帶負電了(參考圖例靜電01)。

靜電02

所以, 我們完全可以通過一個已帶有電性的物體去靠近一個在絕緣底座上的導電體, 因為「同性相斥, 異性相吸」原理, 使被靠近的導電體內部電荷重新分布, 此時再用手指觸碰一下該導電體, 相斥的電荷就會通過手指流入地面, 這個導電體就會具有與那個物體相反的電性了(參考圖例靜電02)。

開爾文水力發電裝置結構

開爾文水力發電裝置01

我們現在來看這個裝置, 最初的裝置上面是一根塑料管子,用來通水, 下面會分出兩個方向, 一左一右, 用來區別兩個電性的水流方向, 這根管子的兩個口又分別對應兩個不同的空心金屬管, 這兩個空心金屬管又各自連接一個金屬水容器, 這兩個水容器交叉錯位放在與地面和金屬容器都絕緣的底座上, 同時, 這兩套金屬容器和空心金屬管彼此之間也要保持絕緣, 要不然開始通電的時候, 它們的電性會互相影響中和, 就不好通過它們觀察水的正負電性了。

金屬尖端

那用甚麼來檢驗水中的正負電荷呢? 答案是看到電流流動產生的結果就可以。所以在這兩個金屬容器上, 又做了伸出去的兩根細細的金屬尖端, 互相保持幾釐米的距離。如果有正負電荷分別附在這兩個容器中, 那這些正負電荷就會通過金屬尖端相互吸引和靠近, 產生電能, 形成電場, 對中間的空氣形成電壓, 當電壓足夠大時, 金屬尖端中間的空氣的絕緣閾值就會被打破, 變成導電體, 產生放電形象, 就會看見藍白色的電弧在金屬管兩個尖端之間形成。

這就說明, 水在電場中已經分離出了正負電荷了, 同時也可以利用來發電。

開爾文水力發電裝置的運行

開爾文水力發電裝置02

而這個裝置真正運行起來時, 是這樣的。首先, 我們給其中下面一個, 假設是右邊的金屬容器稍稍帶一點點正電, 那麼連接這個它的左上方的金屬空心管也會相應帶正電, 因為它們是一體的。而下方兩個金屬容器之間彼此絕緣, 所以此時左邊的金屬容器是電中性。於是我們將水倒入最上方的管子裡, 水從兩個端口一滴一滴流下來, 穿過金屬空心管, 落入金屬容器中。由於左上方的金屬空心管已經帶了正電, 水管裡的水早已經開始正負分離了。這個時候, 左上方滴落進去的水滴已經帶上了負電, 它們穿過左上方的正電金屬管, 滴落到下方左邊的金屬容器裡, 於是左邊的電中性金屬容器就帶負電了, 於是, 連接這個金屬容器的右上方金屬管就會也帶負電, 此時, 同樣的原理. 從右上方滴落進金屬管裡的水滴是正電性, 接著, 這些正水離子穿過負電金屬管, 滴落到下方的正電金屬容器, 相應增加了正電電荷的數量, 也增加了電能的勢能差, 相當於蓄能。

於是此時, 下方兩個互相絕緣的金屬容器, 左邊帶負電, 右邊帶正電, 右邊的電能可能稍稍大一點。兩個容器外延伸的金屬管尖端, 由於距離比較近, 電能差導致電荷開始互相吸引, 正電向負電跑過去。隨著整個裝置的電能慢慢累積到足夠大, 電壓變大, 就會看到兩個金屬管尖端產生電弧放電了。

開爾文水力發電裝置問題

以上就是整個開爾文水力發電裝置的原理和運行方法了。但是會有一個小小的問題, 比如整個裝置是要求水滴必須滴落在金屬管的正中間的, 如果偏離, 就會出現兩邊的水滴在金屬管附近出現偏轉現象, 這是因為受旁邊金屬管相同電場電性相斥的原因, 隨著電壓越來越大, 偏轉也會越嚴重, 甚至一邊的負水離子都會撒在右邊正電的金屬管和金屬容器上, 被中和掉, 就會降低整個裝置的總電能, 下方靠近的金屬管尖端也就很難產生火花。

小問題

所以, 很容易看出來, 整個裝置的水力發電, 需要通過正負水離子水滴在金屬管正中心的滴落, 產生的動能, 儘量把電能積累到下方的金屬容器裡, 而不是旁邊的金屬管上。以此才能最大限度的增加整體裝置中的正負電荷數量, 增加電能, 或者說增加電壓強度, 當這些電能達到足夠大時, 就會產生放電現象, 這個過程裡, 越多的動能轉化為電能, 而不是其他能被消耗掉, 這個裝置就會越有效率。

那下一個問題就是, 金屬管尖端為何要設置在下方, 而不是金屬容器的中間或者上方? 答案是要利用水滴滴落的位能轉化成的動能加持電能的形成。但真實情況是, 動能這部分會因為水滴撞擊在容器上或者水面上變成熱能而消耗掉, 所以從一開始僅有的全部的位能並不能全部轉化為電能發電, 只有小部分轉化了, 這就導致開爾文的這個水力發電裝置在實際上用來發電的效率其實比較低。

但至少他證明了, 在電場中, 水是可以變成正負電荷的。

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