나의 공작실

Kelvin Water Dropper 는 켈빈(William Thomson, 1st Baron Kelvin 1824-1907)이 1867년에 고안해 낸 장치로, 떨어지는 물방울과 정전기유도를 이용하여 정전기를 발생시키는 장치이다. 

제지 공장 등에서는 정전기를 방지하기 위해서 습도를 높게 유지하기도 하고, 습한 여름철에는 정전기가 쉽게 방전되어 사라지므로 물방울로 정전기를 만든다는 것이 불가능하다고 생각하는 사람들도 많지만, Kelvin Water Dropper 를 이용하면 물방울 자체로 정전기를 발생시키는 것이 가능하다.

이 장치는 Water drop electrostatic generator 또는 Kelvin's Thunderstorm 이라고도 불린다.

위 그림은 kelvin water dropper 의 원리를 나타낸 그림이다. 똑같은 양의 물이 떨어지는 2개의 노즐이 있고, 이 물은 물방울이 들어가는 통과 다른 통에서 연결된 금속링을 통과하도록 되어 있다. 통 서로간에는 절연물로 절연이 되어 있고, 스파크갭이 있어서 일정 전압 이상이 되면 불꽃방전이 일어나도록 되어 있다.

이 장치는 대지와 절연된 물체가 약간의 전하를 띠는 현상을 이용한 장치이다. 가령 왼쪽의 물통이 오른쪽의 물통에 비해서 상대적으로 약간의 (+) 전위를 띠고 있었다면, 왼쪽 물통에 연결된 오른쪽의 고리도 약간의 (+) 전위를 띠게 된다.
그렇게 되면 오른쪽 노즐에서 떨어지는 물방울에는 (-) 전하가 유도되고, 그 물방울은 오른쪽 물통에 떨어져서 오른쪽 물통은 약간의 (-) 전하를 띤다. 오른쪽 물통에 연결된 왼쪽의 고리도 약간의 (-) 전하를 띠고 있게 되므로 왼쪽의 노즐에서 떨어지는 물방울들은 (+) 전하로 유도된다. 전하를 띤 물방울들은 각각의 통으로 떨어지면서 물통에는 점점 전하가 쌓이게 되고, 전하가 쌓이면서 정전기 유도도 강해진다.

결국 서로간의 정전기력으로 인해 대전된 물방울들이 각각의 물통으로 들어가서 각 물통 사이의 전위차는 점점 커지게 되고,
전압이 점점 높아지다가 공기의 절연내력(3kV/mm)보다 높아지게 되면 갭 사이에서 기중방전이 일어난다. 

위 사진은 이 실험을 위해서 만들어 본 장치의 사진이다. 

나무로 구조물을 만든 다음, 페트병을 눕혀서 페트병의 위쪽과 아래쪽에 빨대를 연결해서 물이 떨어지도록 했다.

금속 링 부분은 알루미늄병을 잘라서 만들었고, 연결된 전선은 랜선(UTP-cat5)이다. 금속양동이 부분은 냄비를 사용했다.

방전갭 부분은 2.0mm 의 전선으로 만들고, 종이와 플라스틱 컵을 이용한 검전기도 같이 연결해 두었다. 

http://youtu.be/8OuonluJPw8

위의 동영상은 Kelvin Water Dropper 를 동작시키는 동영상이다. 갭의 간격이 5mm 정도이므로 약 15,000V 정도가 발생한다고 추정할 수 있다.