Wie kann man das Kelvin-Wassertropfen-Experiment erklären, ohne anzunehmen, dass der Behälter bereits eine positive Ladung besitzt?

Die Art und Weise, wie ich es gehört habe, ist nicht der Behälter, sondern die Wassertropfen selbst. Statistisch gesehen gibt es keine Möglichkeit, jedes Mal einen perfekt neutralen Wassertropfen zu erhalten. Schließlich erhalten Sie einen Tropfen mit einer Ladung von 0,000000001 Coulomb. Dieses winzige Ungleichgewicht reicht aus, um das Experiment in ein positives Feedback-System zu versetzen.

Sie können sich das so vorstellen, stellen Sie sich eine Fabrik vor, die Stahlkugeln herstellt, die jeweils eine Masse von 100 Gramm haben. Ist es vernünftig zu glauben, dass jede einzelne Kugel aus der Fabrik eine Masse von genau 100 Gramm hat und nicht einmal 100.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 ist? Die elektrische Ladung funktioniert genauso. Kein Objekt in Makrogröße hat eine vollkommen neutrale Ladung. Sogar die Erdung in Schaltkreisen hat eine Ladung, nur ist die tatsächliche Ladung so unbedeutend, dass Sie das Erdungspotential fast immer als 0 V betrachten können.

Am Anfang muss es eine gewisse Asymmetrie geben. Es kann in beide Richtungen gehen, positiv oder negativ. Es ist, als würde man eine Rasierklinge auf der Kante balancieren und auf die eine oder andere Weise "fallen".

Aber unter feuchten Bedingungen gibt der Kelvin-Generator keine Leistung ab. Bauen Sie es auf, drehen Sie das Wasser auf und nichts passiert. Dies tritt auf, weil über alle Isolatoren ein Widerstand von vielen Megaohm auftritt. Oberflächenverunreinigungen sind leicht leitfähig. Selbst wenn im System ein geringes elektrisches Rauschen auftritt, wird jede asymmetrische Spannung durch den Widerstand schneller abgebaut als aufgebaut.

Es gibt jedoch immer eine Schwellenausgangsspannung, unter der der Ausgang auf Null abfällt und über der der Ausgang exponentiell ansteigt.

Unter etwas feuchten Bedingungen ist diese Schwellenspannung normalerweise niedrig genug, dass die normale Aufladung des menschlichen Körpers den Metallteilen einen elektrostatischen induktiven "Kick" geben kann, um die Schwelle zu überschreiten und den Generator zu starten. (Menschliche Körper haben normalerweise einige hundert Volt gegen Masse, verursacht durch das Gehen auf Böden, das Berühren von Stuhlsitzen usw.)

Bei höherer Luftfeuchtigkeit können wir manchmal den Generator "anstoßen", indem wir einen aufgeblasenen Ballon auf Wolle oder Haare aufladen und dann den geladenen Ballon in der Nähe einer Seite des Kelvin-Generators schwenken.

PS

Der ultimative Isolator für elektrostatische DIY-Geräte ist eine dünne Nylon-Angelschnur, die von Fingerabdrücken gereinigt wurde. Wenn die Metallteile an der Angelschnur aufgehängt sind, können viele Kilovolt sogar über zehn Stunden bestehen bleiben, selbst bei einer Luftfeuchtigkeit, die hoch genug ist, um Kondensationstropfen auf der Nylonschnur zu erzeugen! Kein anderer Isolator hat eine so kleine Oberfläche und einen so langen Kriechweg.

PPS, in Hunger Games II, siehe Tool Effects riesiges achteckiges Kelvin-Gerät. Gebaut von G Finnin., ich hatte etwas Input zu ihrem Design.

Um viele andere, klare und technische Beschreibungen dieses Phänomens aufzunehmen, sollte ich hinzufügen, dass dieser "Generator" als bistabiler Schaltkreis beschrieben werden kann, ähnlich wie die, die in den meisten digitalen Systemen auf der Erde verwendet werden.
Es könnte auch hilfreich sein zu erwähnen, was man den "Stromversorgungsweg" nennen könnte, der aus dem zusammenhängenden Wasser besteht ($\mathbf CW$) (& elektrostatischer) Pfad zwischen den beiden Tropfenbildungen ($\mathbf DF$) Gebiete (& jedes zusammenhängende Wasserquellenvolumen). Jedes leichte Ungleichgewicht in der Ladung auf den Metallleitern spiegelt sich in einem Ungleichgewicht in der statischen Spannung im CW-Pfad wider, das durch elektrostatische/kapazitive Verschiebung freier Protonen verursacht wird$^+$& Elektronen$^-$(P$H^+$und P$e^-$von 7) aus den Peilgebieten, durch jede nicht neutrale Ladung auf den sogenannten 'Induktionsringen'. („Induktion“ impliziert fälschlicherweise, dass die bewegte Ladung hier ein relevantes Magnetfeld erzeugt.)

(Die gut bekannten "$\mathbf{p}H^+$" bezieht sich auf$\mathbf{p}$kostenlos$\mathbf H$Wasserstoffionen (==Protonen$^+$) in neutralem Wasser (pH7=$\mathrm 10^{-7}$). Natürlich für jedes freie Proton$^+$, sollte es ein freies Elektron geben$^-$, irgendwo in der Nähe.)

In dieser Umgebung werden die statischen Ladungen im Wasser durch die statische Ringladung geschoben. Die geladenen Tropfen werden getrennt (durch DF), durch die Schwerkraft in die Eimer gezogen, und die in den Tropfen eingeschlossene Ladung verteilt sich auf die Metallleiter und -ringe.