Творческий конкурс для педагогов и учащихся: «Детские исследовательские и научные работы, проекты». Работа «Капельница Кельвина как альтернативный источник энергии» автор Яцук Илья Владимирович

1 

Государственное учреждение образования 

«Средняя школа №40 г. Гродно» 

Капельница Кельвина как альтернативный источник энергии 

                                                                                          Автор: 

                                                                                        Яцук Илья Владимирович, 

                                                                                        учащийся 11 «Б» класса 

                                                                                       СШ №40 г. Гродно 

                                                                                       Научный руководитель: 

                                                                                       Соколовская Г. Г., 

                                                                                       учитель физики 

г. Гродно,2022 

2 

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………3 
1.Основная часть. Капельница Кельвина и принцип работы………………...5

1.1 Принцип действия…………………………………………………………..5 

1.2 Явления и законы, благодаря которым работает капельница …………...7 

1.3 Как собрать генератор Кельвина?................................................................10 

2.  Практическая часть………………………………………………………….12 

2.1. Сборка капельницы Кельвина. ……………………………………………12 

2.2. Презентация работы капельницы Кельвина………………………………12 

3. Исследовательская часть……………………………………………………..13 

3.1. Анкетирование учащихся…………………………………………………..13 

3.2. Доказательство электростатической индукции…………………………...13  

Заключение……………………………………………………………………….15 

Список использованной литературы…………………………………………...16  

Приложение……………………………………………………………………....17 

3 

Введение. 

Ученые со всего мира уже не одну сотню лет ищут тот самый «вечный 

двигатель», некоторые из них были в двух шагах от этого. Вечный двигатель 

должен работать без остановки, должен будет работать без потери энергии, 

без погрешностей. Тем самым двигателем ученые называют тот прибор, чьё 

КПД было бы равно 100%( значение полезной работы равно значению 

совершенной работы). Разные учёные были близки к созданию вечного 

двигателя, но им всё равно чего-то не хватало; работы некоторых учёных 

дорабатываются до сих пор современными учёными. Одним из тех учёных 

был Уильям Томсон, а тот самый «почти вечный двигатель» называется 

капельница Кельвина. Капельница Кельвина представляет собой 

электростатический генератор, который позволяет накапливать заряды, 

используя струю воды, которая в свою очередь распадается на отдельные 

капельки. Как говорилось ранее, генератор был создан британским учёным 

Уильямом Томсоном в 1867 году, которому королева Виктория за его заслуги 

пожаловала наследственное пэрство с титулом «барон Кельвин». Данная 

конструкция позволяет получить напряжение порядка 10 кВ, но из-за низкого 

КПД она неприменима на практике. Капельница Кельвина не вызвала 

большого интереса и не была в достаточной мере изучена, но я считаю, что 

она достойна вашего внимания, а также дальнейшего развития.  Сегодня я 

Вам поподробнее расскажу о капельнице Кельвина. 

Цели исследования

:  

а) изготовление модели капельницы Кельвина. 

Задачи исследования: 

а) познакомиться с устройством, принципом работы капельницы Кельвина; 

б) познакомиться с явлениями, благодаря которым работает капельница 

Кельвина ; 

в) собрать действующую модель капельницы Кельвина; 

4 

г) выяснить применим ли генератор на практике и почему; 

  Объект исследования:

 модель капельницы Кельвина. 

  Предмет исследования: 

эффективность капельницы Кельвина. 

  Методы исследования:  

1.

сбор информации;  

2.

эксперимент; 

3.

моделирование; 

4.

демонстрация работы капельницы;  

5.

анализ полученный данных 

5 

1. Основная часть. Капельница Кельвина и принцип работы 

Капельница Кельвина

- электростатический генератор, изобретённый 

Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1867 году. Простая конструкция 

позволяет, тем не менее, получить напряжения порядка 10 кВ. Устройство 

представляет собой пару металлических банок, каждая из которых связана с 

металлическим кольцом-индуктором, подвешенным над другой банкой. 

Через индукторы из верхнего сосуда в банки льются струйки воды, которые 

разделяются на капли рядом с индукторами. (википедия), (приложение1) 

1.1 Принцип действия. 

У нас есть 4 консервных банки, верхние две соединены токопроводящей 

проволокой, а нижние друг от друга изолированы. От верхних банок вниз 

отведены трубочки. Вода, капающая из этих трубочек, пролетает сквозь 

проволочные кольца, причем правое кольцо припаяно к левой нижней банке, 

а левое- к правой. 

Когда вода капает, одна из нижних банк становится положительно 

заряженной, а другая- отрицательно с разницей потенциалов больше 1000В. 

Это означает, что любые мелкие капельки будут сбиты с пути электрическим 

полем и будут разлетаться кто куда. 

  Но почему так происходит? Это очень гениально и просто. Вначале, когда 

включают воду, одна из банок имеет чуть больший положительный заряд, 

чем другие. Какая именно банка имеет больший заряд, определяется чистой 

6 

случайностью, так как изначальный заряд банок обуславливается 

естественной радиоактивностью или космическим излучением, или статикой, 

оставшейся на банке после прикосновения. Кольцо, припаянное к этой банке, 

соответственно тоже будет иметь чуть больший положительный заряд. 

 Электроны в воде притягиваются положительно заряженным кольцом, так что 

сами капли падают в банку отрицательно заряженными. 

Эта  банка  становится  отрицательно  заряжена  и,  следовательно, 

противоположное  кольцо  также  становится  отрицательным.  Капли  слева 

соответственно  становятся  положительными,  делая  левую  банку  всё  более 

положительно заряженной. 

7 

 Несмотря  на  то,  что  начальная  разность  потенциалов  между  банками 

ничтожна, в некоторых самодельных капельницах Кельвина удается получить 

разность потенциалов до 15 кВ. Причем одна пара жестяных банок заряжается 

положительно, 

а 

другая 

– 

отрицательно. 

К нижним банкам может быть подсоединена проводами неоновая лампочка. 

При  работе  устройства,  по  мере  накопления  заряда  на  банках,  она  будет 

периодически вспыхивать. 

1.2 Явления и законы, благодаря которым работает капельница 

Кельвина. 

Ничего в мире не происходит просто так и всему можно найти объяснение, и 

капельница Кельвина не является исключением. Генератор работает 

благодаря следующим явлениям: 

электростатическая индукция

 и 

сила 

поверхностного натяжения.

Электростатическая индукция

-явление наведения собственного 

электростатического поля при действии на тело внешнего электрического 

поля. Явление обусловлено перераспределением зарядов внутри проводящих 

тел, а также поляризацией внутренних микроструктур у непроводящих тел. 

Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с 

индуцированным электрическим полем.  

  Чтобы это доказать, достаточно будет провести эксперимент с 

электроскопом. Поднесём к прикреплённому к электроскопу металлическому 

8 

шарику наэлектризованное тело (им может быть потёртая о шёлк стеклянная 

палочка) – одноименно заряженные листочки электроскопа расходятся на 

некоторый угол. Этот 

эксперимент, который вы можете провести даже у себя 

дома, показывает возникновение индуцированного заряда. 

Электростатическая индукция в капельнице Кельвина: 

В результате 

количество электронов на противоположных краях резервуара становится 

разным. Упав, капли попадают в банку, соответствующую своему заряду, тем 

самым увеличивая её заряд, что создаёт ещё большее электрическое поле 

около колец, усиливая сепарацию статического заряда; таким образом 

капельница Кельвина накапливает статическое электричество. 

Электростатическая индукция в проводниках:

 Перераспределение 

зарядов в хорошо проводящих металлах при действии внешнего 

электрического поля происходит до тех пор, пока заряды внутри тела 

практически полностью не скомпенсируют внешнее электрическое поле. При 

этом на противоположных сторонах проводящего тела появятся 

противоположные наведённые (индуцированные) заряды. 

Электростатической индукцией в проводниках пользуются при их 

заряжении. Так, если проводник заземлить и поднести к нему заряженное 

отрицательно тело, не касаясь им проводника, то некоторое количество 

отрицательных зарядов перетечёт в землю, заместившись взамен 

положительными. Если теперь убрать заземление, а затем и заряженное тело, 

проводник останется положительно заряженным. Если же сделать то же 

самое, не заземляя проводник, то после убирания заряженного тела 

индуцированные на проводнике заряды перераспределятся, и все его части 

вновь станут нейтральными. 

Электростатическая индукция в диэлектриках: 

Диэлектрики в 

электростатическом поле поляризуются, то есть смещение связанных зарядов 

в диэлектрике ограничивается. 

9 

  Сила поверхностного натяжения

 — термодинамическая характеристика 

поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая 

работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади 

этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы 

и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются 

постоянными. 

  Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — 

энергетический (термодинамический) и силовой (механический). 

Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное 

натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её 

растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) 

определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу 

длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости. 

  Поверхностное натяжение возникает на границе газообразных, жидких и 

твёрдых тел. Обычно под термином «поверхностное натяжение» имеется в 

виду поверхностное натяжение жидких тел на границе жидкость — газ. В 

случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно 

также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура 

поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при 

заданных объёмах фаз. 

Вычисляется сила по следующим формулам: 

 1) Через площадь поверхности: 

Еsurf= o* S,

 где

o 

— коэффициент 

поверхностного натяжения, 

S

 — полная площадь поверхности жидкости. 

2) Формула Лапласcа:                         , где       -  

добавочное 

давление

 поверхностного натяжения плёнки,  

и   — радиусы главных 

кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры 

кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный 

знак — если по разную сторону. 

10 

 Доказать наличие поверхностного натяжения Вы также можете дома. 

Например, примером может послужить монета, лежащая на поверхности 

воды благодаря силе поверхностного натяжения. 

Вычисления (сила поверхностного натяжения): 

d= 8.5 см=0.085 м                      

о(воды)=72.86*10

−3

 Н/м 

R1=R2=R=4.25 см=0.0425 м    

S= 0.00567 м

2

E=

72.86*10

−3

 Н/м * 0.00567 м

2  

= 0.0004 Дж  

p = (1/0.0425 м) * 72.86*10

−3

 Н/м = 1.7 Па 

 1.3 Как собрать генератор Кельвина? 

Возьмите кусок толстого пеноплекса и вырезали из него ножом квадратную 

раму размером 30×30 см. С помощью двойного скотча приклеили эту раму на 

подставку, а сверху приделали ещё одну пеноплексовую пластину размером 

30×10 см. Ещё вам потребуются четыре консервные банки (капельницы 

можно использовать из банок из-под лекарств с капельницей (для начала)), 

кусок толстой изолированной медной проволоки длиной около полуметра, 

две полоски жести 15×3 см и два пустых стержня от авторучки. Обе 

жестяные полоски надо согнуть кольцами и сшить эти кольца с помощью 

шила и стальных скрепок. Кольца прикрепляются к двум нижним банкам 

крест-накрест с помощью двух кусков проволоки, зачищенной на концах. 

Лучше всего соединять проволоку с жестью с помощью паяльника. Эти 

кольца принято называть индукторами. 

На одном конце обеих трубочек от стержней надо сделать сужение, растянув 

их над огнём свечки. В двух верхних банках делаются отверстия на дне, и 

трубочки вставляются в эти отверстия так, чтобы широкие концы трубочек 

были направлены вверх. Места соединения банок и трубочек надо промазать 

воском или герметиком — они ни в коем случае не должны протекать!

эту 

часть устройства: по очереди заполните обе банки водой и убедитесь, что 

вода бежит из стержня тонкой струйкой, распадающейся на капли. Шилом 

11 

проколем тонкие отверстия в раме и вставим в них трубки. Все четыре банки 

прикрепим к раме двойным скотчем. Осталось соединить верхние банки ещё 

одним куском провода, и машина готова. 

Наблюдения. 

Залейте в верхние банки воду и наблюдайте. Сначала вода потечёт из 

трубочек вниз, так что струйки будут пролетать через индукторы. Но потом, 

если всё сделано правильно, вы увидите нечто удивительное: струйка под 

индуктором начнёт распадаться на капли, которые полетят во все стороны, а 

отдельные капли даже подлетят вверх по дуге и попадут на индуктор. 

Подведите к одной из нижних банок палец — вы почувствуете несильный 

электрический разряд. При этом банка, которую вы разрядили своим 

прикосновением, заряжается снова уже через пару секунд. 

Из емкости сверху, сквозь металлические кольца, течет вода двумя 

несильными потоками (это важно — вода должна «разбиваться» на капли). 

Кольца и нижние емкости соединены «крест-накрест» парой проводов. 

Кольца выполняют функцию «поляризации» воды. При отрыве от них, 

каждая капля получает заряд, а падая в одну из нижних емкостей, отдает его 

ей. Заряд нижних емкостей увеличивается, также увеличивается потенциал 

колец. Разность зарядов емкостей можно использовать — заряжать 

лейденские банки, создавать искры и т. п. 

Почему не вечный двигатель? 

Для работы крайне важна сухость воздуха, влажность мешает. Если 

использовать подготовленные материалы при изготовлении устройства и 

уменьшить паразитические факторы (исключить острые края и углы, 

изолировать емкости с водой, увеличить размеры капельницы, исключить 

брызги, уменьшить размер капель и т.д.), возможно получение напряжения в 

30000-40000 Вольт. 

Капельница Кельвина - почти "вечный двигатель" 

12 

Эта конструкция продолжает работать до тех пор, пока нижние емкости не 

заполнятся полностью. И тут возникает проблема из-за которой этот крайне 

простой механизм, получающий электричество словно бы из ниоткуда, никак 

не может быть причислен к «вечным двигателям» - чтобы обеспечить 

непрерывность работы, нужно как-то решить проблему отвода воды. А за 150 

лет она так и не решена. 

Главной проблемой практического применения таких «капельниц» - крайне 

маленькое КПД, ведь накапливаемые заряды невелики и разрядный ток «не 

сильный». Вот если бы найти способ откачки воды и зацикливания водяного 

цикла, и увеличить количество банок, и сделать множество таких «блоков» 

тогда и вечный двигатель можно получить!  

2.  Практическая часть 

2.1. Сборка капельницы Кельвина.  

Сначала  я  отпилил  2  куска  фанеры  размером  100*  300  и  еще  2  размером 

100*250  мм  каждый.  Их  я  соединил  так,  чтобы  одинаковые  дощечки  были 

параллельны друг другу. Таким образом, у нас получилось основание в форме 

прямоугольника.      Из  банки  из-под  газировки  я  вырезал  2  индуктора 

диаметром  меньше  диаметра  банок.  Индукторы  с  нижними  банками  я 

соединил диагонально с помощью медной проволоки.  

2.2. Презентация работы капельницы Кельвина 

Итак, как осуществляется опыт. Сначала мы наливаем воду в верхние банки, и 

она тонкой струёй течёт вниз, распадаясь на капли. Если приглядеться, то мы 

видим,  как  капли  летят  друг  к  другу.  Это  свидетельствует  о  наличии 

положительного  заряда  на  одной  банке  и  отрицательного  на  другой.  Они 

определяются  случайным  образом,  дело  в  том,  что  заряд  на  одной  банке 

больше  другого.  Тот  больший  заряд  и  есть  положительный.  Если  поднести 

палец к струе, то струя будет притягиваться к пальцу. Чтобы доказать наличие 

заряда,  я  с  помощью  проводов  с  зажимами  подключил  к  нижним  банкам 

султан.  Первый  раз  не  получилось,  потому  что  установка  оказалась 

негерметичной.  Высушив  прибор  и  заклеив  все  дыры  с  помощью  клеевого 

13 

пистолета, удалось добиться лучшего результата. Наличие заряда доказывают 

отклоняющиеся в сторону лепестки султана. Также лучшего результата я смог 

добиться, когда налил горячую воду в верхние банки.  

3. Исследовательская часть. 

3.1. Анкетирование учащихся 

Мною был проведён опрос о том, знают ли мои одноклассники о капельнице 

Кельвина и считают ли они актуальным вопрос о нахождении альтернативных 

источников  энергии.  По  результатам  опроса  выяснилось,  что  подавляющее 

большинство учащихся (82%) не слышало ничего о капельнице Кельвина, 73% 

учащихся считают, что вопрос о поиске альтернативных источников энергии 

актуален.  86%  учащихся  считают,  что  мир  нуждается  в  вечном  двигателе. 

(Приложение 3,4,5) 

3.2. Доказательство электростатической индукции.   

Электростатическая индукция - явление наведения собственного 

электростатического поля при действии на тело  

внешнего электрического поля. Явление обусловлено 

перераспределением зарядов внутри проводящих тел, а также поляризацией 

внутренних микроструктур у непроводящих тел. Внешнее электрическое 

поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным 

электрическим полем. Докажем наличие электростатической индукции с 

помощью электроскопа. Потрём эбонитовую палочку о шерсть. Палочка 

приобретёт отрицательный заряд. Подносим заряженную палочку к 

электроскопу- лепестки электроскопа приобретают 

одинаковый(отрицательный) заряд и расходятся в стороны, так как 

одноименные заряды отталкиваются. (приложение 2) 

 3.3 Дальнейшие планы на применение капельницы Кельвина 

Капельницей Кельвина может питать светодиод или газоразрядную плёнку. В 

дальнейшем я попытаюсь осуществить это. Также планируется изучить 

14 

возможность удаления воды из нижней ёмкости без утечки имеющегося 

заряда и изучить влияние примесей в составе воды на работу капельницы.  

Как бы это красиво ни звучало, капельница Кельвина неприменима на 

практике. Начнем с того, что   нужно как-то решить проблему отвода воды, 

чтобы капельница работала непрерывно. А за 150 лет она так и не решена. 

Также нельзя забывать про испарение воды. А вот главной проблемой 

практического применения таких «капельниц» - крайне маленькое КПД, ведь 

накапливаемые заряды невелики и разрядный ток «не сильный». Вот если бы 

найти способ откачки воды и зацикливания водяного цикла, и увеличить 

количество банок, и сделать множество таких «блоков» тогда и применимый 

на практике, надёжный источник альтернативной энергии можно было бы 

получить. 

15 

Заключение. 

В результате выполнения работы:  

1. изучен принцип работы капельного генератора Кельвина; 

2. собрана рабочая установка капельницы Кельвина, 

 3. был получен заряд, достаточный для фиксации школьным электрометром. 

Полученные результаты доказывают, что устройство является вполне 

работоспособным. 

 Данный генератор невозможно применить как реальный источник энергии в 

силу малого напряжения, но можно использовать как наглядную установку 

для демонстрации электростатической индукции, капиллярных волн, 

 Возможные способы усовершенствования установки  

1. Использование Лейденских банок (конденсаторов) в качестве нижних 

сосудов. Что поможет избежать утечки заряда при накоплении заряда 

большой величины.  

 2. Использование в установке ветра для перемещения капель и получения 

электрического тока (капельный ветряк)  

3. Намеренное добавление в воду различных примесей, например: 

поваренной соли, для увеличения числа ионов в воде. 

 4. Создание системы слива воды из банок, что поможет избавляться от 

лишней воды без утечки заряда, а значит использовать нижние банки малых 

размеров.  

16 

Список использованных источников: 

1. http://www.alhimik.ru/great/kelvin.html 

 2. http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/Kelvin.html 

 3. http://www.calend.ru/person/3239/  

4. http://watta.ru/opyityi/elektrichestvo-iz-vodyi-kapelnyiy-generator kelvina.html  

5. https://www.pravda.ru/science/eureka/inventions/11-04-2013/1152011- 
energetika-0/  

6. http://all-about-water.ru/chemical-composition.php 

 7. http://water-rf.ru/a1335  

8. Мартьянов А., Ивачев А., Королев Д.Ю. Научно-исследовательская работа 
по физике «Изучение строения и принципов работы генератора Кельвина» – 
2012 – 15 с.  

9. Уокер Дж. Физический фейерверк. – М.: Мир, 1989. – 299 с. (интернет 
издание)  

10. https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/watch 

play/interactive/kelvin-water-dropper  

11. https://interneturok.ru/physics/10-klass/osnovy termodinamiki/poverhnostnoe-
natyazhenie 

 12. Майер В.В. Капли. Струи. Звук. Учебные исследования. – М.: 
ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 376 с. (интернет-издание 

17 

Приложение 

Приложение1. Схема капельницы Кельвина 

18 

Приложение2. Присоединение султанчика к капельнице Кельвина 

19 

Приложение 3. Результаты анкетирование учащихся 

Приложение 4. Результаты анкетирование учащихся 

20 

Приложение 5. Результаты анкетирование учащихся