Kelvindruppelaar

[Michel Uphoff]

Een van de mooiste instrumenten vind ik de Kelvindruppelaar. Zo geniaal, zo eenvoudig, en als je er voor het eerst naar kijkt kan je haast niet geloven dat louter vallende waterdruppels en wat metaal en isolatie in staat zijn energie op te wekken, en een lading van vele duizenden volts op te bouwen.

kelvindruppelaar 2113 keer bekeken

Wie zo'n ding nog nooit heeft zien werken, kijk dan naar DEZE les van Walter Lewin (MIT), vanaf minuut 44.

Het principe achter deze vorm van energieopwekking is mij wel duidelijk, maar wat ik mij afvraag is waar de energie voor de electrische lading vandaan komt. Is deze afkomstig van een deel van de kinetische energie van de druppels, uit deïonisatie een combinatie van deze twee of wat anders?

Ik vermoed dat de kinetische energie de bron is, maar vraag mij toch ook af hoe het met de ionen in beide opvangbakken zit als de ontlading plaatsvindt.

Wie weet hierover van de hoed en de rand?

[eendavid]

Heb je 28:00 van de opvolgingsles gezien?

Prachtig systeem inderdaad.

[Michel Uphoff]

Heb je 28:00 van de opvolgingsles gezien?

Nee, dus dat ga ik morgen even doen.

[Michel Uphoff]

Net gegeken, de zwaartekracht is de leverancier van de energie volgens Walter Lewin (en daar ga ik dus maar beter niet aan twijfelen).

Maar hoe zit het nu met de ionen?

In de ene opvangbak zit een surplus aan positieve- en in de andere een teveel aan negatieve ionen.

De ontlading tussen de twee bakken deïoniseert neem ik aan. Levert dat geen (extra) energie op of is dat in principe toch een energieneutraal gebeuren?

[eendavid]

Hetgeen Lewin uitlegt is het proces waarbij de bakken een tegengestelde lading krijgen. Of anders gezegd, het deel van het proces waarbij gravitationele potentiele energie (deels) in elektrische (potentiele) energie wordt omgezet. In de vorm van een spanningsverschil dus.

De spark die je ziet is een ontlading van deze elektrische energie: er vloeit dan een stroom van de positief geladen bak naar de negatief geladen bak. Onmiddellijk na deze ontlading zijn beide bakken neutraal en is er geen spanningsverschil meer. Op zich is dit proces weinig verschillend van wat er gebeurt in een lamp, of een elektrisch verwarmingselement of ... Het is gewoon een klein beetje spannender omdat er een plasma is. Maar voor onze vragen kan je dat plasma gewoon zien als een geleider (die maar even blijft bestaan). In dat plasma kunnen ladingen zich bewegen, en tijdens deze beweging zullen ze botsen en energie afgeven. Na dit proces is de elektrische energie is omgezet in warmte (en een héél klein beetje licht).

Alleszins, het is geen proces dat 'energie oplevert', het is een proces waarbij elektrische energie in warmte wordt omgezet.

[Michel Uphoff]

Het proces op zich is mij wel duidelijk, maar ik vraag mij dus af hoe het zit met de energie die nodig is voor het 'voorgesorteren' van de ionen. Dat lijkt mij afkomstig uit gravitationele potentiële/kinetische energie.

Maar eenmaal voorgesorteerd wisselen de ionen bij de vonkoverslag toch elektronen uit en deïoniseren dus?

Als dat klopt, levert die deïonisatie dan ook energie? Er worden dan elektronen verplaatst van een negatief naar een positief ion, en dan loopt er een stroom lijkt mij.

Het is toch niet zo, dat de gravitatie energie in feite gebruikt wordt voor het scheidingsproces, maar dat de vonk (mede) veroorzaakt wordt door deïonisatie?

Als dat waar zou zijn, vertelt Walter Lewin niet het hele verhaal.

[eendavid]

Je hebt 2 delen van het getoonde proces.

1. Er wordt lading opgebouwd in de reservoirs, en dus is er een potentiaalverschil tussen deze twee reservoirs. In de film wordt uitvoerig uitgelegd dat de arbeid die hiervoor verricht wordt geleverd wordt door het gravitatieveld.

Enkel dit proces is belangrijk voor de Kelvindruppelaar. Je zou bijvoorbeeld kunnen besluiten om deze elektrische energie af te tappen om een LED te laten branden (enfin, je zal moeten zien of je genoeg energie opbouwt, maar je begrijpt mijn punt). Doe je dat niet dan blijft de spanning oplopen tot deel 2 van het proces:

2. Door gasontlading ontladen de reservoirs. De vonk ontstaat omdat de elektrische velden rond de emmer groot genoeg worden om lucht te ioniseren. Dit levert een geleidbaar kanaal van plasma, dat zichtbaar is als de vonk. Langs dit geleidbaar kanaal loopt een elektrische stroom, waardoor de ladingen van de reservoirs geneutraliseerd worden (en dus ook het spanningsverschil tussen de twee emmers). Hierbij gaat onze elektrische energie verloren; deze wordt omgezet in warmte. Dit proces is dat van een opgeladen condensator (inderdaad, 2 emmers vormen een condensator) die je in serie met een weerstand (inderdaad, zo'n plasmakanaal vormt een weerstand) laat ontladen.

Je zegt dat je deze 2 zaken begrijpt. Indien dat het geval is, ben je klaar. Maar dan zou je niet zeggen dat de vonk veroorzaakt wordt door deïonisatie. Het neutraliseren van de ionen is slechts een eindresultaat van het ontladingsproces.

edit: ik hoop alleszins dat je begrijpt dat hetgene dat jij 'deïonisatie-energie' zou noemen in feite gewoon elektrische energie is.

[Bartjes]

Aanvullend op eendavid nog:

Hoe ik het begrijp is het zo dat de zwaartekracht de vallende druppels met hun lading in de bekers deponeert. Omdat de druppels een gelijknamige lading hebben als het water dat al in de bekers zit, worden die druppels door het water in de bekers afgestoten. Daardoor worden ze in hun val geremd en komen ze met een lagere snelheid (en kinetische energie) aan dan het geval geweest zou zijn wanneer ze in een ongeladen beker met water waren gevallen. Een deel van de potentiële gravitationele energie van het vallende water is dus gebruikt om veel gelijknamige ladingen in de bekers bijeen te brengen (wat moeite en dus energie kost).

[Michel Uphoff]

Een deel van de potentiële gravitationele energie van het vallende water is dus gebruikt om veel gelijknamige ladingen in de bekers bijeen te brengen (wat moeite en dus energie kost).

Ja, dat begreep ik van meet af aan, maar ik heb dus een aanvullende overpeinzing:

Komt er bij deïonisatie energie vrij? Zo nee, dan zijn we klaar.

Maar zo ja, is dit exact dezelfde hoeveelheid energie die nodig was voor het scheiden van de ionen?

M.a.w. kost het voorsorteren van de ionen dan exact evenveel energie als de deïonisatie aan energie oplevert (als dit dus al energie oplevert)

Of is het misschien zo, dat het ioniseren van de lucht (tijdens de vonkoverslag) exact evenveel energie kost als de deïonisatie van de ionen oplevert. In dit geval is alle gravitationele energie dan kennelijk gaan zitten in het scheiden van de ionen, en komt de vonk uit het ladingsverschil tussen de ionen in de bakken.

Om een wat kromme huis-tuin-en-keuken analogie te geven:

Ik heb een bak batterijen, leeggelopen batterijen (die zijn neutraal) maar ook nog gedeeltelijk volle (die hebben interne energie). Vervolgens ga ik met (veel) moeite de nog geladen batterijen uitsorteren en in een kring leggen, zodanig dat ik op een gegeven moment kortsluiting veroorzaak en er een forse stroom loopt.

Hier kan ik met zekerheid zeggen, dat de energie die nodig was voor het voorsorteren van de batterijen helemaal niets te maken heeft met de energie die door de stroomkring werd geleverd, hoewel de vrijgekomen energie in de kring wel een direct gevolg was van mijn (energie kostende) uitzoek en sorteerklus.

Maar met de ionen zit het kennelijk anders:

Ik heb in waternaast neutrale deeltjes een aantal positief en negatief geladen deeltijs - ionen - die als ik ze in groepen zou voorsorteren in staat zijn tussen beide groepen een zodanig potentiaalverschil te bereiken dat er ionisatie van lucht en vonkoverslag plaatsvindt. Het is dus zo, dat dat voorsorteren (het onttrekken van negatieve danwel positieve ionen aan de bron van water en door influentie verplaatsen naar de twee bakken) exact evenveel energie kost als er vrijkomt bij de vonkoverslag.

Hamvraag is eigenlijk: Ik plaats een negatief en positief ion zeer dicht bij elkaar. Springt er een elektron over? Levert dit energie op, of is it neutraal? Als het energie oplevert, kost het bij elkaar plaatsen van de ionen dan evenveel energie als er geleverd wordt bij de overslag?

[Bartjes]

De druppelaar zou even goed werken als er in het hele proces tot aan de vonk geen nieuwe ionen ontstaan. Het enige dat er dan gebeurt is dat er met behulp van de zwaartekracht in het ene bakje een overschot aan positieve ionen samengebracht wordt en in het andere bakje een overschot aan negatieve ionen. Dat op zich volstaat om een sterk elektrisch veld en een hoge spanning teweeg te brengen.

Voor de duidelijkheid van de discussie zou ik die kwestie van de deïonisatie los koppelen van de werking van de druppelaar (die ook volgens mij al afdoende behandeld is). Misschien iets voor een ander topic? Bijvoorbeeld zo:

Je hebt een metalen bakje gevuld met water met een overschot aan positieve of negatieve ionen. Vervolgens ontlaadt je het bakje. Wat gebeurt er dan met het water? En hoe zit het me de energieën die daarmee gemoeid zijn?

[Michel Uphoff]

De druppelaar zou even goed werken als er in het hele proces tot aan de vonk geen nieuwe ionen ontstaan. Het enige dat er dan gebeurt is dat er met behulp van de zwaartekracht in het ene bakje een overschot aan positieve ionen samengebracht wordt en in het andere bakje een overschot aan negatieve ionen. Dat op zich volstaat om een sterk elektrisch veld en een hoge spanning teweeg te brengen.

Dat zie ik ook zo.

Voor de duidelijkheid van de discussie zou ik die kwestie van de deïonisatie los koppelen van de werking van de druppelaar (die ook volgens mij al afdoende behandeld is). Misschien iets voor een ander topic?

Goed voorstel, want zo het lukt mij kennelijk niet duidelijk te maken wat ik bedoel.

[bartimore]

Beste forumleden,

Ik weet niet zeker of het toegestaan is om een ouder onderwerp opnieuw te introduceren, maar ook ik was gefascineerd door de kelvin water dropper (wie niet). Ik was alleen benieuwd of er ook een soort energiebalans te maken is voor verschillende punten in het apparaat? Zoals hierboven al te zien is, is er al wat onduidelijkheid over de energievormen die in het apparaat aanwezig zijn. Misschien is de combinatie van een elektrisch- en een gravitatieveld wel erg ingewikkeld, maar ik was benieuwd of er voorspellingen te doen zijn als ik zelf een water dropper bouw.

Daarnaast vraag ik me af of een condensator als deze enige toepassing kan hebben. Is een dergelijke condensator te gebruiken als spanningsbron? Misschien is het mogelijk door een potentiaalverschil te creeren in het aanvoerwater door twee bassins te maken twee verschillende ladingen. Zo kom ik weer bij de vraag of er iets valt te voorspellen aan dit potentiaal. Anders ben ik gedwongen meetapparatuur aan te schaffen

Bij voorbaat dank

[Bartjes]

Het herstarten van de discussie lijkt mij alleen zinvol wanneer we vereenvoudigde deelaspecten van de werking van het apparaat bekijken. Bijvoorbeeld:

De druppelaar zou even goed werken als er in het hele proces tot aan de vonk geen nieuwe ionen ontstaan. Het enige dat er dan gebeurt is dat er met behulp van de zwaartekracht in het ene bakje een overschot aan positieve ionen samengebracht wordt en in het andere bakje een overschot aan negatieve ionen. Dat op zich volstaat om een sterk elektrisch veld en een hoge spanning teweeg te brengen.

Voor de duidelijkheid van de discussie zou ik die kwestie van de deïonisatie los koppelen van de werking van de druppelaar (die ook volgens mij al afdoende behandeld is). Misschien iets voor een ander topic? Bijvoorbeeld zo:

Je hebt een metalen bakje gevuld met water met een overschot aan positieve of negatieve ionen. Vervolgens ontlaadt je het bakje. Wat gebeurt er dan met het water? En hoe zit het me de energieën die daarmee gemoeid zijn?

[Benm]

Je hebt een metalen bakje gevuld met water met een overschot aan positieve of negatieve ionen. Vervolgens ontlaadt je het bakje. Wat gebeurt er dan met het water? En hoe zit het me de energieën die daarmee gemoeid zijn?

Je hebt geen bakje met een overschot aan ionen. Ik weet niet precies hoe het uitgelegd wordt, maar dit systeem scheidt dus geen H3O+ en OH- van elkaar.

Zou dat wel het geval zijn, dan heb je in het ene bakje teveel, en in het andere bakje te weinig, waterstof. Dat verschil kan natuurlijk nooit vereffend worden door een volk die alleen electronen transporteert.

[Bartjes]

Je hebt geen bakje met een overschot aan ionen. Ik weet niet precies hoe het uitgelegd wordt, maar dit systeem scheidt dus geen H3O+ en OH- van elkaar.

Zou dat wel het geval zijn, dan heb je in het ene bakje teveel, en in het andere bakje te weinig, waterstof. Dat verschil kan natuurlijk nooit vereffend worden door een volk die alleen electronen transporteert.

Dat is inderdaad een problematisch aspect aan het hele verhaal. Maar dat het dus ook niet gebeurt gaat mij te ver. Het is voorstelbaar dat er als gevolg van de vonk elektrolyse in de twee bakjes plaats vindt.