கெல்வின் நீர்மச் சொட்டி

கெல்வின் நீர்மச் சொட்டி (Kelvin water dropper) என்பது அடிப்படையில் ஒரு நிலைமின்னியல் இயற்றி ஆகும். இதனை 1867 ஆம் ஆண்டு இசுக்கொட்லாந்து அறிவியலாளர் வில்லியம் தாம்சன் என்ற கெல்வின் பிரபு கண்டுபிடித்தார்.^[1] இக்கருவி கெல்வின் நிலை மின்னியல் இயற்றி, கெல்வின் நீர் மின் இயற்றி, கெல்வின் இடிமின்னல் இயற்றி (Kelvin's thunderstorm) ஆகிய பெயர்களிலும் அழைக்கப்படுகிறது. இது நிலைமின்னியல் தத்துவத்தில் செயல்படுகிறது. இயற்றியிலிருந்து பாயும் நீர் நிலைமின் தூண்டல் மூலம் மின்னழுத்தத்தை உருவாக்குகிறது. பள்ளிகளில் நிலைமின்னியல் தத்துவத்தை விளக்க ஒரு சிறந்த உபகரணமாகும்.

விளக்கம்

மேலே காட்டப்பட்டுள்ள படத்தின் விளக்கம் இங்கே தரப்பட்டுள்ளது: பச்சைநிற நீர்த் தொட்டியிலிருந்து, இரண்டு குழாய்கள் மூலம் நீர் அல்லது மின்சாரத்தைக் கடத்தும் திரவம், சொட்டு சாெட்டாக விழுமாறு செய்யப்பட்டுள்ளது. விழும் நீர்த்துளிகள், நீல மற்றும் சிவப்புநிற உலோக வாளிகளில் சேமிக்கப்படுகிறது.

நீர்த் தொட்டிக்கும் வாளிகளுக்குமிடையே உலோக வளையமோ அல்லது இருபுறம் திறந்த உருளையோ வைக்கப்பட்டிருக்கும். இடது புறத்திலுள்ள உலோக வளையம் வலது புறத்திலுள்ள வாளியுடனும், வலது புறத்திலுள்ள உலோக வளையம் இடது புறத்திலுள்ள வாளியுடனும் உலோக கம்பிகளால் இணைக்கப்பட்டிருக்கும். உலோக வாளிகள் புவியிணைப்பு (Earthing) செய்யப்படாமலிருக்கும். இதனால் அவற்றில் உருவாகும் மின்னூட்டம் தேக்கி வைக்கப்படுகிறது.

உருவாகும் மின்னூட்டத்தை இழக்காதவாறு மின் காப்புப் பொருளால் உலோக வளையங்கள் பாதுகாக்கப்பட்டிருக்கும். இந்த அமைப்பு வேலை செய்ய நீர் சொட்டுச் சாெட்டாக விழுவது மிகவும் அவசியம். இறுதியாக இரண்டு உலோக வாளிகளிலிருந்தும் மின் கம்பி வழியாக அருகருகே வைக்கப்பட்டுள்ள இரண்டு உலோக குண்டுகள் இணைக்கப்பட்டுள்ளது.

செயல்படும் விதம்

1918 ல் வரையப்பட்ட அமைப்பின் படம்

1867 ல் கெல்வினால் வரையப்பட்ட அமைப்பின் படம்

உலோக வாளிகள் ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்று மின் காப்பிடப்பட்டிருப்பதால் மின்னேற்றச் செயலைத் தொடங்குவதற்குத் தேவைப்படும் சிறிதளவு தொடக்க மின்னூட்ட வேறுபாடு இரு உலோக வாளிகளுக்குக்கிடையே நிலவும். அவற்றுக்கிடையே, மின்னேற்றம் (Charging) செய்வதன் மூலம் வாளிகளில் மின்னூட்டத்தை உருவாக்க இயலும்.

இடது புறத்திலுள்ள வாளி நேர் மின்னூட்டம் பெற்றிருந்தால், அதனுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ள வலது புறத்திலுள்ள உலோக வளையமும் நேர் மின்னூட்டத்தைப் பெற்றிருக்கும். அதே போல் வலது புறத்திலுள்ள வாளி எதிர் மின்னூட்டம் பெற்றிருந்தால்,அதனுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ள இடது புறத்திலுள்ள உலோக வளையமும் எதிர் மின்னூட்டத்தைப் பெற்றிருக்கும்.^[2]

இங்கு நீர் மெதுவாகவும், சொட்டுச் சொட்டாகவும் உலோக வளையங்கள் வழியாகவும் விழுமாறு அமைக்கப்பட்டிருக்கும். சாதாரணச் சூழலில் நீரானது எந்தவொரு மின்னுாட்டத்தையும் பெற்றிருக்காது. ஆனால் நீரில் கரைந்துள்ள உப்புகளினால் அயனிகள் உருவாக்கப்படும். இவற்றில் சில நேர்மின் அயனியாகவும், சில எதிர்மின் அயனியாகவும் இருக்கும். பொதுவாக இரண்டு அயனிகளும் சமன் செய்து கொள்ளும்.

ஆனால் ஒரு மின்னூட்டம் பெற்ற பொருளை அருகில் வைக்கும் போது, இரண்டு அயனிகளும் பிரிந்து நிற்கும். ஒரே மாதிரியான அயனிகள் ஒன்றையொன்று விலக்கும். எதிரெதிர் அயனிகள் ஒன்றையொன்று ஈர்க்கும். இதுவே கெல்வின் நீர்மச் சொட்டியின் அடிப்படைச் செயலாகும்.

இடது உலோக வளையம் எதிர் மின்னூட்டத்தைப் பெற்றுள்ளது, அப்போது அதன் வழியாக சொட்டு சாெட்டாக வழியும் நீரில் உள்ள இலத்திரன்கள் விலகலடைவதால் கீழேயுள்ள இடது வாளியில் நேர் மின்னூட்டம் பெற்றுள்ள நீர் சேகரிக்கப்படுகிறது.

வலது உலோக வளையம் நேர் மின்னூட்டத்தைப் பெற்றுள்ளது, அப்போது அதன் வழியாக சொட்டு சாெட்டாக வழியும் நீரில் உள்ள இலத்திரன்கள் ஈர்க்கப்படுவதால் கீழேயுள்ள வலது வாளியில் எதிர் மின்னூட்டம் பெற்றுள்ள நீர் சேகரிக்கப்படுகிறது.^[2]

இடது வாளியில் நேர் மின்னூட்டம் கொண்ட அயனிகள் சேர்ந்து கொண்டேயிருக்கும். வலது வாளியில் எதிர் மின்னூட்டம் கொண்ட அயனிகள் சேர்ந்து கொண்டேயிருக்கும். மின்னூட்டங்கள் ஓரளவு சேர்ந்த பின் மின்னழுத்தம் உலோக குண்டுகளின் வழியாக மின்னிறக்கம் (Discharge) செய்யப்பட்டு பொறியை உண்டாக்கும்.^[3]

இக்கருவி நிலைமின்னியல் தத்துவத்தை விளக்க ஒரு சிறந்த உபகரணமாகும்.

குறிப்புகள்

2014 ல் கேம்பிரிட்சு பல்கலைக்கழகத்தில் நடந்த அறிவியல் திருவிழாவில் வைக்கப்பட்டிருந்த கெல்வின் நீர்மச் சொட்டி

வான் டி கிராப் நிலை மின்னியற்றியும் இதே தத்துவத்தில் செயல்படுகிறது.^[4]
நீர் எவ்வளவு மெதுவாகவும், சொட்டுச் சொட்டாகவும், தொடர்ந்தும் விழுகிறதோ அந்தளவிற்கு மின்னூட்டங்கள் சேகரிக்கப்படும்.
உலோக குண்டுகள் எவ்வளவு நெருக்கமாக உள்ளதோ,அவ்வளவு எளிதாக மின்னிறக்கம் மூலம் பொறியை உண்டாக்கலாம்.
கெல்வின் நீர்மச் சொட்டி நிலைமின் தூண்டல் தத்துவத்தில் செயல்படுகிறது.
கெல்வின் நீர்மச் சொட்டியில் பயன்படுத்தப்படும் அனைத்து உபகரணங்களுமே மின் கடத்தும் பொருளால் ஆனதாய் இருக்க வேண்டும்.
கெல்வின் நீர்மச் சொட்டியில் உருவாக்கப்படும் மின்னூட்டங்கள் சேகரிக்க லேய்டின் கொள்கலன் (Layden Jar) அக்காலத்தில் மின்தேக்கி போல் பயன்படுத்தப்பட்டது
இரண்டு குழாய்களுக்குப் பதிலாக அதிக குழாய்களையும் பயன்படுத்தலாம்.^[5]
நுண்ணிய (Micro) கெல்வின் நீர்மச் சொட்டியின் செயல்திறன் அதிகமாக இருப்பது கண்டறியப்பட்டது.^[6]^[7]

மேற்கோள்கள்

↑ Thomson, William (November 1867). "On a self-acting apparatus for multiplying and maintaining electric charges, with applications to the Voltaic Theory". The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (4th Series) (London: Taylor & Francis) 34 (231): 391–396. https://books.google.com/books?id=2lgwAAAAIAAJ&pg=PA391&lpg=PA391#v=onepage&q&f=false. பார்த்த நாள்: September 1, 2015.
↑ ^2.0 ^2.1 "Kelvin Water Dropper activity". CSIRO. Archived from the original on 2005-02-08. பார்க்கப்பட்ட நாள் 2009-01-07.
↑ Maryam Zaiei-Moayyed; Edward Goodman; Peter Williams (November 2000). "Electrical deflection of polar liquid streams: A misunderstood demonstration". Journal of Chemical Education 77 (11): 1520–1524. doi:10.1021/ed077p1520. Bibcode: 2000JChEd..77.1520Z. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed077p1520.
↑ Alvaro G. Marin et al.,"The microfluidic Kelvin water dropper". Lab on a chip (DOI: 10.1039/C3LC50832C). (http://arxiv.org/abs/1309.2866).
↑ Markus Zahn, "Self-excited a.c. high voltage generation using water droplets," American Journal of Physics, vol. 41, pages 196-202 (1973). [1]
↑ Y.Xie et al., "Pressure-driven ballistic Kelvin's water dropper for energy harvesting.". "Lab on a chip"(DOI: 10.1039/C4LC00740A).
↑ Y.Xie et al., "High-efficiency ballistic electrostatic generator using microdroplets". "Nature Communications"(DOI:10.1038/ncomms4575).

வெளி இணைப்புகள்

Video demonstrating Kelvin water dropper in operation: "10, M.I.T. 8.02 Electricity & Magnetism, Spring [term] 2002". See the last 6 minutes of this video for operation of Kelvin water dropper. Printed material related to this video: See "MIT Open Courseware" website; specifically, assignment 4 of course 8.02, which is available here: http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Physics/8-02Electricity-and-MagnetismSpring2002/DownloadthisCourse/index.htm . -->
Youtube - Kelvin Water Dropper: Implementation and Explanation
Youtube - Kelvin Water Dropper and How it Works
Detailed description of device and how to build your own Kelvin water dropper.
Lego Kelvin water dropper

[Thomson-1] Thomson, William (November 1867). "On a self-acting apparatus for multiplying and maintaining electric charges, with applications to the Voltaic Theory". The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (4th Series) (London: Taylor & Francis) 34 (231): 391–396. https://books.google.com/books?id=2lgwAAAAIAAJ&pg=PA391&lpg=PA391#v=onepage&q&f=false. பார்த்த நாள்: September 1, 2015.

[Kelvin_Water_Dropper_activity-2] 2.0 ^2.1 "Kelvin Water Dropper activity". CSIRO. Archived from the original on 2005-02-08. பார்க்கப்பட்ட நாள் 2009-01-07.

[3] Maryam Zaiei-Moayyed; Edward Goodman; Peter Williams (November 2000). "Electrical deflection of polar liquid streams: A misunderstood demonstration". Journal of Chemical Education 77 (11): 1520–1524. doi:10.1021/ed077p1520. Bibcode: 2000JChEd..77.1520Z. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed077p1520.

[4] Alvaro G. Marin et al.,"The microfluidic Kelvin water dropper". Lab on a chip (DOI: 10.1039/C3LC50832C). (http://arxiv.org/abs/1309.2866).

[5] Markus Zahn, "Self-excited a.c. high voltage generation using water droplets," American Journal of Physics, vol. 41, pages 196-202 (1973). [1]

[6] Y.Xie et al., "Pressure-driven ballistic Kelvin's water dropper for energy harvesting.". "Lab on a chip"(DOI: 10.1039/C4LC00740A).

[7] Y.Xie et al., "High-efficiency ballistic electrostatic generator using microdroplets". "Nature Communications"(DOI:10.1038/ncomms4575).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]