William Thomson

Ook wel Lord Kelvin genaamd
William Thomson, Afb 1, was op 26 Juni 1824 geboren in Belfast en op 17 December 1907 overleden in Largs. Hij ligt begraven in webminster Abby in Londen. William was een natuurkundige die wiskundige analyse toepaste op natuurkundige problemen waaronder elektriciteit. Met zijn onderzoek en opvattingen over thermodynamica en de trans-Atlantische telegraaf is hij heel erg bekend geworden en wordt nu gezien als een van de belangrijkste wetenschappers van de 19e eeuw. Ook zijn aanpassingen op het standaard kompas waren van groot belang

Op de universiteit van Glasgow heeft Thomson belangrijk werk verricht in wiskundige analyse toegepast op natuurkundige problemen. Verder heeft hij ook de eerste en tweede wet van thermodynamica uitgevonden. Daarbij houdt de eerste wet in dat er geen energie verloren mag gaan en de tweede stelde daar dan allemaal eisen aan. Om toch wat geld te verdienen ging Thomson werken als electrical engineer en uitvinder. Zijn werk aan de trans-Atlantische telegraaf kabel, een kabel die Europa met noord Amerika verbind, heeft ervoor gezorgd dat hij flink wat geld heeft verdient en dat hij nu bekend is bij het grotere publiek. Dit zorgde ervoor dat hij in 1866 werd geridderd tot sir William Thomson.

De meeste mensen kennen William Thomson van het absolute nulpunt, waar de atomen volledig stil zouden staan. Omdat het absolute nulpunt veel wordt gebruikt heet dat punt ook wel Kelvin, namelijk -273 graden Celsius is 0 Kelvin.
In 1892 werd Thomson als eerbetoon benoemd tot eerste baron van Kelvin van Largs. William Thomson dankt deze naam aan de rivier Kelvin die vlak bij zijn laboratorium in Glasgow stroomde.

Ondanks dat vele prestigieuze universiteiten heel graag wilde dat Kelvin daar les kwam geven was hij van 1846 tot1899 professor in natuurfilosofie bij de Universiteit van Glasgow.

Jeugd
Williams vader was James Thomson, de zoon van een Ierse boer. Hij begon aan een studie aan de universiteit van Glasgow op zijn 24e. Omdat zo’n studie best wel duur is betaalde hij deze studie door de helft van het jaar als onderwijzer in Belfast te werken. Het beroep onderwijzer vond hij zo leuk dat James na zijn studie wiskundeleraar werd. Hij trouwde met Margaret Gardner in 1817. Van de zes kinderen die de volwassenheid zouden bereiken was William er één van.

William kreeg samen met zijn oudste broer thuis onderwijs van hun vader. William werd de favoriet van zijn vader toen bleek dat zijn broer, James junior, niet aan zijn vaders hoge verwachtingen kon voldoen. In 1832 werd de vader van James en William hoogleraar wiskunde aan Glasgow. De familie verhuisde daarheen en vader besefte dat zijn kinderen daar een veel beter onderwijs zouden kunnen krijgen dan wat hij had gehad. Terwijl de rest van het gezin, de overige broertjes, les kregen van de oudste zussen.
Toen vader een baan kreeg aangeboden in Glasgow is familie Thomson daarheen verhuist en kwamen ze in aanraking met een hele andere cultuur bijna. Vooral omdat het onderwijs zo anders was dat het beetje thuis onderwijs dat vader ze gaf.

In 1834 ging William als 10-jarige studeren aan de universiteit van Glasgow in een programma voor hoogbegaafde kinderen. Hier won hij de klassen prijs voor astronomie met en rapport over de vorm van de aarde. Hier kwam zijn creativiteit uit voort en zijn talent voor analytische wiskunde. Telkens in zijn leven zou hij terugkomen op de wetenschappelijke vragen die hij in het rapport had genoemd.

Thomson was benieuwd naar het werk van Fourier en andere Franse wiskundigen, wat op een Engelse school niet gebruikelijk was aangezien Isaac Newton de boel er domineerde. Maar in Engeland kreeg Fourier veel kritiek zoals van de Engelse wiskundige Philip Kelland. Naar aanleiding van alle kritiek ging Thomson wetenschappelijke artikelen schrijven. Deze artikelen hadden vooral te maken met wiskunde en elektriciteit.

Thermodynamica
William was een van de belangrijkste mensen in de thermodynamica. Thermodynamica (van het Griekse thermos, warm en dynamis,vermogen) bestudeerd de interacties tussen verschillende soorten bewegende deeltjes zoals moleculen en atomen. De energie die daarbij vrijkomt is warmte. Je zou dus ook wel kunnen zeggen dat thermodynamica een wetenschap is die de relatie tussen warmte en andere vormen van energie onderzoekt.

Toen Thomson in Oxford woonde bezocht hij in 1847 een bijeenkomst waar hij James Prescott Joule, van de eenheid joule als eenheid voor energie, hoorde spreken over het idee dat warmte en mechanische arbeid in elkaar omzetbaar zijn. Dit kwam niet overeen met de meest gangbare theorie van die tijd namelijk de warmte vloeistoftheorie. Dit gaat uit van een onzichtbare stof die zorgt dat de hoeveelheid in het heelal gelijk blijft. In 1848 stelde Thomson een absolute temperatuurschaal voor met een absoluut nulpunt waar geen warmte vloeistof meer zou kunnen stromen. Het absolute nulpunt staat gelijk aan 0 Kelvin of -273,15 graden Celsius. Naarmate de temperatuur lager wordt, gaan de atomen langzamer bewegen. Bij het absolute nulpunt zou er helemaal geen beweging meer over zijn en zouden atomen dus stoppen met bewegen.

Langzaam maar zeker raakte Thomson steeds meer overtuigd van het idee van Joules. Hij stelde de tweede wet van de thermodynamica op, die over de omzetting van warmte in arbeid gaat. En hij begon hiermee experimenten uit te voeren. Omdat Thomson gelovig was vond hij het lastig te geloven dat je de warmte terug in de zon kon stoppen. Alleen de schepper zou daartoe in staat zijn. Maar toch was hij nieuwsgierig en werkte hij van 1851 tot 1856 samen met Joule.

Trans-Atlantische Telegraafkabel
De trans-Atlantische telegraafkabel was een kabel die Europa via de Atlantische oceaan met noord Amerika verbond, Afb2. Door middel van morsecode kon je binnen enkele minuten met Amerika communiceren.

In 1852 trouwde William met zijn jeugdliefde Magaret Crum. Maar omdat haar gezondheid heel slecht was had ze constant Williams zorg nodig. Om hem af te leiden schreef George Gabriel Stokes hem een brief over Michael Faraday die experimenten had gedaan met een trans-Atlantische telegraafkabel. Thomson werd geïntrigeerd naar het idee en begon in 1854 en 1855 artikelen te schrijven over de potentiële opbrengst van de kabel. De elektrisch engineer van de Atlantic Telegraph Company, Wildman Whitehouse, was het niet eens met de ideeën van Thomson. Want de bandbreedte zou te laag zijn met zo’n lange kabel. Whitehouse beweerde dat je door alleen de spanning te verhogen het probleem zou kunnen worden opgelost.

William reageerde hierop en er kwam een schriftelijke strijd tussen de twee, die ertoe leidde dat Thomson bekend werd bij het grotere publiek. Thomson raadde aan een betere geleider en meer isolatiemateriaal te gebruiken. Vanwege deze ideeën werd hij in 1856 benoemd tot wetenschappelijk adviseur in dienst van de Atlantic Telegraph Company. Hij reisde mee op het schip voor de aanleg van de kabel maar na 600 km brak de kabel. William ontwikkelde twee apparaten, de spiegelgalvanometer en de siphon recorder, die hem moesten helpen om dit soort ongevallen te voorkomen. Met de spiegelgalvanometer kon de elektrische stroom worden afgelezen en met de siphon recorder kon een telegram hiervan worden opgenomen.

Na nog een mislukte poging in 1858 stond het hele project weer op het punt van mislukken maar Wiliam Thomson en een paar anderen haalden het bestuur over om door te gaan. Thomson had zich inmiddels alweer ontwikkeld van adviseur tot best goede ingenieur en de kabel zou datzelfde jaar ook al weer klaar zijn.

Heel snel bleek dat de kabel niet gevoelig genoeg was en Thomson wilde opnieuw zijn spiegelgalvanometer gebruiken. Whitehouse luisterde weer niet en wilde dit probleem oplossen door de spanning te verhogen. De kabel werd opgeblazen door er 2000 V op te zetten en Whitehouse werd ontslagen. Het hele project had ondertussen zijn geloofwaardigheid verloren maar in 1865 stond Thomson aan de leiding van weer een nieuwe poging. Na wat tegenslag kwam het project met behulp van Thomsons instrumenten in 1866 succesvol klaar.

De kelvindruppelaar
Statische elektriciteit
Soms als je iets of iemand aanraakt krijg je een schok. Ook willen ballonnen nog weleens aan je haar blijven plakken. Dit zijn vormen van statische elektriciteit. De meeste mensen kennen het wel maar wat houdt het precies in?

Statische elektriciteit kan ontstaan door het langs elkaar wrijven van twee stoffen. Als een van de twee stoffen makkelijk elektronen loslaat en de ander ze makkelijk opneemt krijgen ze allebei lading. Dit gebeurt ook met die ballon die aan je haar blijft plakken. Je haar krijgt een negatieve lading en de ballon een positieve lading want hij verliest makkelijk elektronen Positief en negatief trekt elkaar aan wat ervoor zorgt dat de ballon als het ware blijft plakken.

Een isolator houdt al deze elektronen bij zich. Maar stoffen die de elektronen juist heel makkelijk afstaan zijn geleiders zoals verschillende metalen. Zo zou je statisch geladen kunnen worden door het lopen waar er wrijving plaatsvind tussen je schoenzolen en de vloer. Deze lading kan je dan meestal niet kwijt. Als je dan iets van metaal vastpakt, voel je de ontlading als een schok. Deze schok is niet gevaarlijk, omdat er maar weinig lading overspringt ondanks dat het behoorlijk pijn kan doen. De spanning bij de schok is wel hoog maar de stroom is heel laag. Dit is bij ook al een paar keer gebeurt terwijl ik metingen aan het doen was maar het is niks ernstigs.

Statische elektriciteit is de hoge spanning door de ongelijke verhouding van elektronen en protonen terwijl er geen stroom loopt.

Statische elektriciteit kan op vier manieren worden opgewekt door wrijving, druk, temperatuur en door influentie

Bij ons is de oorzaak van statische elektriciteit meestal wrijving. Bij de kelvindruppelaar vindt er juist ladingsscheiding door influentie plaats. Waar wat is influentie nou precies? Het is niet iets wat je vaak hoort.

Influentie
Als je bij een neutraal metaal een positief voorwerp houdt, treedt er ladingsverschuiving op. Het metaal trekt de overstaande lading aan terwijl dezelfde lading elkaar juist afstoot. Dit effect heet influentie, ook wel elektrostatische inductie genoemd. Hier worden negatief geladen deeltjes, elektronen, aangetrokken aan het positieve voorwerp en de positief geladen deeltjes, protonen, worden juist afgestoten. De positieve lading een metaalrooster ligt vast. De valentie elektronen (elektronen in de buitenste schil) kunnen juist wel vrij bewegen en zullen zich dus aangetrokken voelen tot de positieve protonen van het positief geladen voorwerp.
Dit staat in de afbeelding 3 hierboven. De eerste bol is positief geladen en trekt de negatieve elektronen van de eerste bol aan. Normaal gesproken zou in bol twee de positieve en negatieve deeltjes gelijk in de bol verdeelt zitten. Omdat de eerste bol positief is worden in bol twee de negatieve elektronen aangetrokken en de positieve elektronen juist afgestoten.

Bij water gaat het net wat anders. Water bevat net als bol twee positieve en negatieve ionen, dus er is lading aanwezig. Normaal gesproken is deze lading in balans en is water neutraal. Bij de kelvindruppelaar is een kraantje gevuld met water wat in een opvangbak druppelt. Bij de plek waar de druppels het kraantje verlaten wordt in de kelvindruppelaar een metalen ring gehangen Afb4. Dit zorgt dat er lading wordt opgebouwd.

In het metaalrooster kunnen alleen de vrije valentie elektronen vrij door het metaal bewegen maar dat is bij water niet zo. De deeltjes zweven als het ware door elkaar heen. Omdat de deeltjes zich niet in een vast rooster bevinden, kunnen de deeltjes zich vrij bewegen in de vloeistof. Als er dan een geladen voorwerp bij in de buurt is, afhangend van de lading, zullen de waterdeeltjes naar het voorwerp toe bewegen.

Je zou in praktijk de influentie in water kunnen waarnemen door bijvoorbeeld een opgewreven kunststof staaf bij een straal water te houden. De staaf, die dan positief is zal de waterstraal naar zich toe laten buigen. Door het elektrisch veld rond de staaf zullen de positieve deeltjes van de waterstraal worden afgestoten en de negatieve deeltjes juist worden aangetrokken. De negatieve deeltjes zullen zich uiteindelijk dichter bij de staaf bevinden. Doordat de afstand korter van de negatieve deeltjes korter is vergeleken met de positieve deeltjes wint de aantrekking van de negatieve deeltjes en wordt de waterstraal naar de staaf toegebogen.

Je kan dus met influentie ladingen uit elkaar trekken. Hier maakt de kelvindruppelaar handig gebruik. Door een geladen voorwerp, in dit geval een stalen ring, aan het uiteinde van het kraantje te houden worden alle gelijkgeladen ionen afgestoten, terwijl de tegengesteld geladen ionen worden aangetrokken. Het water aan het uiteinde van het krantje wordt tegengesteld geladen aan het geladen voorwerp. Het water wordt negatief geladen en de opvangbak zal ook negatief worden. Omdat je twee ringen hebt en twee bakken die met elkaar verbonden worden heb je een positieve en negatieve ring en een positieve en negatieve bak.

Doorslagspanning
Als een positieve en negatieve lading bij elkaar worden gebracht, kan er verplaatsing van elektriciteit door middel van een elektronenstroom door de lucht plaatsvinden. Dit is waarneembaar als vonk. Om een vonk te laten ontstaan, moet de spanning tussen twee punten hoger worden dan de doorslagspanning (van lucht). De spanning slaat dan bijna door de lucht heen, geleiding wordt geforceerd. De spanning is dan hoog genoeg om de atomen in de lucht te ioniseren. Een geïoniseerde stof kan elektriciteit wel geleiden en daarom kan de elektronenstroom plaatsvinden. De doorslagspanning van lucht is 3 miljoen volt per meter.
Bij de kelvindruppelaar is er ook een doorslagspanning. De positieve en negatieve ladingen zullen net zolang opgebouwd worden, totdat de doorslagspanning van lucht wordt bereikt. Hoe lang het duurt voordat er een vonk komt, is dus onder andere afhankelijk van de afstand tussen de twee ontlaaddingspunten. Hier kan je berekeningen mee uitvoeren. Als er een vonk over een centimeter afstand heeft plaatsgevonden, weet je dat er 3 miljoen volt is opgebouwd door de kelvindruppelaar.

Werking van de kelvindruppelaar
De kelvindruppelaar gebruikt ladingsscheiding door influentie van water. In de afbeelding 5 staat een kelvindruppelaar en daarmee zal ik uitleggen hoe de kelvindruppelaar zulke hoge spanningen kan opbouwen dat je lichtflitsen ziet

De kelvindruppelaar bestaat uit een waterreservoir met twee kraantjes die met elkaar verbonden zijn. Het water in de ene kraan moet verbonden zijn met het water in de andere kraan zodat de lading kan worden uitgewisseld en er in de kraantjes geen ladingsverschil ontstaat. Tijdens het druppelen ontstaat er namelijk een ladingsverschil en daarom moet het kraantje elektrisch neutraal zijn.

Verder bestaat de kelvindruppelaar uit twee geleidende ringen en twee geleidende opvangbakken. Uit de kraantjes druppelt water. Deze druppels vallen door de ringen in de bakken eronder. De linker ring is verbonden met de rechterbak en de rechterring verbonden met de linker bak. De ringen liggen precies onder het uiteinde van de kraantjes, zodat de elektrische velden de druppels goed beïnvloeden. Het ladingsverschil zal zomaar ontstaan want water bestaat uit grote hoeveelheden positieve en negatieve ionen. Normaal zijn deze ionen in balans maar door kleine verstoringen is er telkens een verschil in ladingsevenwicht. De ene druppel zal dus meer negatieve ionen bevatten en de andere druppel meer positieve.

Als er uit de linker kraan een beetje negatief geladen druppeltje valt en deze in de opvangbak eronder terechtkomt wordt de bak ook een beetje negatief. De rechter ring wordt dan ook een beetje negatief want deze is verbonden met de linker bak. Als reactie zal uit de rechterkraan een positief geladen druppel vallen omdat de negatief geladen ring eronder een influencerende werking heeft op het water in de rechter kraan. Hierdoor worden er juist positieve druppels naar het uiteinde van de kraan worden getrokken die in de bak eronder komen. De rechter bak zorgt ervoor dat de linker ring ook positief geladen wordt omdat deze ook is verbonden. Uit de linker kraan komen dan druppels die steeds negatiever worden.
Hoe sterker het elektrisch veld van de ringen, des te harder de tegenovergestelde geladen ionen worden aangetrokken. Hiervoor wordt het spanningsverschil opgebouwd. Als het opgebouwde ladingsverschil de doorslagspanning heeft bereikt, vindt er een ontlading plaats. Dit gebeurt op de plek waar de twee draden die de ringen met de bakjes verbinden. Deze ontlading is te zien als een vonk. De opstelling is dan weer bijna helemaal ontladen en het hele proces begint weer opnieuw.

Bliksem en onweer
Onweer
Onweer ontstaat als een stapelwolk uitgroeit tot een onweerswolk. Als je de wolken van afbeelding 6 aan ziet komen dan weet je dat je een probleem hebt en er onweer aan zit te komen.

Je zou kunnen zeggen dat bliksem een zichtbare vonk is die bij onweer van de ene naar de andere wolk gaat of naar de aarde gaat als gevolg van de ontlading van de elektriciteit. Donder is het geluid als gevolg van de bliksem. Door en uitzetten en inkrimpen van de verwarmde lucht ontstaan er geluidsgolven.
Ontstaan van bliksem
De lading die ontstaat voor de blikseminslag wordt waarschijnlijk gevormd door de wrijving tussen deeltjes, dus een vorm van statische elektriciteit. Bij bliksem treedt er ook wel het zogenaamde trio-elektrisch effect op waarbij één vonkje de hele wolk kan laten ontploffen. Dit kan ook gebeuren in grote graansilo’s, waar een vonkje de gehele silo kan laten ontploffen.

Bliksem is de ontlading tussen een gebied met positieven en met negatieve lading. Het is niet bekend hoe dit grote ladingsverschil ontstaat. De bekendste theorie is de van Wilson die uitgaat van de oorspronkelijke ladingsverdeling in de wolken onder invloed van het elektrisch veld waarbij de aarde een negatieve lading heeft ten opzichte van de luchtlagen daarboven tot aan de elektrosfeer. Door inductie krijgen wolken en neerslag aan de bovenkant van de wolk een negatieve lading terwijl de onderkant juist positief wordt.

Bij bliksem gaan de elektronen van een positieve lading naar een negatieve lading, de stroomrichting is van negatief naar positief. De spanning bij bliksem hoeft niet in de buurt te komen van de doorslagspanning. Want hoewel de atmosfeer wel elektrisch geleidraad is door ionisatie, is de weerstand te hoog om honderden meters te overbruggen. Bliksem bestaat dus uit een serie van gedeeltelijke ontladingen. Deze vonken herhalen zich steeds weer met een gemiddelde snelheid van ongeveer 150 km/s waardoor ze steeds sterker worden. Als de grote sterke hoofdvonk contact maakt met de aarde is er een soort kortsluiting waar steeds meer stroom bij komt en hevig lichten.
De vergelijking
Uiteindelijk zal bliksem ook met mijn eigen kelvindruppelaar moeten worden vergeleken. Ze maken beide gebruik van ladingsscheiding en bij beide wordt er lading opgebouwd en ontlading door een elektronenstroom. Bij bliksem krijg je een ladingsverschil doordat de deeltjes zich moeten bewegen door de luchtstromen. Bij de kelvindruppelaar daarentegen worden de waterdruppels gedwongen om te vallen doordat de zwaartekracht aan ze trekt. Het ontstaan van het ladingsverschil komt dus blijkbaar niet overeen. Bij de kelvindruppelaar is er influenza en bij bliksem wrijving. Het enige gebied waarmee de kelvindruppelaar overeenkomt met bliksem is door de ontlading door een vonk.

Eigen onderzoek
Inleiding
Tijdens mijn eigen onderzoek wilde ik een goed werkende kelvindruppelaar verkrijgen die ook de vonken genereerde. School had al een kelvindruppelaar staan dus ik hoefde hem niet helemaal in elkaar te zetten, maar ik heb er toch een paar dingen aan veranderd in de hoop dat hij beter werkt. In het begin had ik een paar standaard onderzoeksvragen maar ik kwam erachter dat je nog meer leuke dingen kon bereken aan deze druppelaar. Deze wil ik ook nog gaan onderzoeken.

Onderzoeksvragen
Ik had van tevoren bedacht dat ik wilde kijken of de kelvindruppelaar afhankelijk was van:

De luchtvochtigheid
De druppelsnelheid
Hoogte van de kraantjes ten opzichte van de ringen
Aantal ionen

Maar ik kwam er na verloop van tijd achter dat dit een beetje weinig was en je nog veel meer leuke dingen kon doen met de kelvindruppelaar. Zo kan je als je een elektrisch geladen bol naast de waterstroom zetten waardoor de waterstraal afbuigt. Je de hoek kan meten dat de straal maakt en je ook de massa van een druppel kan je meten, door het gewicht van laat ik zeggen honderd druppels te meten. Delta V van de aftuiging kan gemeten worden met de stroboscoop. Met dit alles kan je de versnelling berekenen door delta V te delen door delta t. Hieruit kan je ook de kracht van de druppel berekenen. Uiteindelijk wil ik ook de lading van een waterdruppeltje en van de bol berekenen/meten. Mijn belangrijkste deelvraag zal dan ook worden wat is de lading van een geladen waterdruppeltje.

Hypothese
Ik verwacht dus dat de kelvindruppelaar afhankelijk is van de luchtvochtigheid. Als er droge lucht is zullen de vonken eerder overspringen terwijl als de lucht heel vochtig is er juist heel veel lekstroom is door de hoeveelheid water die dan aanwezig is in de lucht.

Druppelsnelheid zal geen invloed hebben op de kelvindruppelaar. Als de druppelsnelheid laag is verwacht ik niet dat influentie beter zal werken maar het duurt alleen langer totdat er lading wordt opgebouwd want er vallen niet zoveel druppels. Als er een hoge druppelsnelheid is zal de lading sneller worden opgebouwd en zou er dus sneller een vonk moeten komen.

De hoogte van de kraantjes ten opzichte van de ringen zal zeker helpen bij de druppelaar om lading op te bouwen. De lading van de ringen verdeelt het water in positief en negatief en door de kraantjes dicht bij de ring te hangen zou deze scheiding nog beter optreden wat zorgt voor snellere vonken. Als de kraantjes juist verder van de ringen hangen heeft het elektrische veld van de ringen niet voldoende invloed op de kraantjes dus zal de juiste spanningsopbouw langer duren.

De kelvindruppelaar maakt gebruik van scheiding op basis van lading. Kraanwater bevat allemaal opgeloste mineralen en metalen daarom verwacht ik dat het best goed lading zal kunnen opbouwen. Zoutwater bevat helemaal veel ionen dus het lijkt me logisch dat zoutwater beter werkt om lading op te bouwen. Demi-water daarentegen bevat alleen maar H2O en zou daarom niet in staat moeten zijn om lading op te bouwen. Ik heb al wat geprobeerd met zoutwater maar dat werkte nog niet op de manier dat ik het wilde dus ik ben benieuwd hoe zoutwater en demi-water werken als ik het nog een paar keer probeer.

Dit laatste gedeelte ben ik ook heel erg benieuwd naar de resultaten want ik weet ook nog niet hoe ik de lading van de elektrische bol kan opmeten. De rest moet nog wel lukken maar dat vind ik lastig. Als ik eenmaal de lading heb kan je ook de energie uitrekenen, maar mijn hoofddoel is het vinden van de lading van een geladen waterdruppel door de kelvindruppelaar.

Materiaal en methode
Benodigdheden

Een geïsoleerd statief
Twee geleidende ringen
Twee opvangbakken
Een reservoir met twee kraantjes
Stevig koperdraad
Twee elektrasnoertjes

Op school stond al een kant en klare kelvindruppelaar die het ook nog best deed. In het begin wilde ik met een coulomb meter kijken hoeveel lading wordt opgebouwd en ik dacht dat een coulomb meter daar het best voor was. Deze deed alleen niet wat ik wilde dus ik probeerde een voltmeter te gebruiken. Ik was alleen vergeten dat de positieve en negatieve spanning bij elkaar komen en alle opgebouwde spanning dus bijna helemaal verdwijnt. Uiteindelijk heb ik het meten van de voltage maar vaarwelgezegd en heb de waterkraan laten lopen. Het echte vonken genereren wilde nog niet echt lukken waardoor ik de elektrisch geladen bol er maar naast heb gezet. Hier is ook mijn idee van onderzoeken met de geladen bol vandaan gekomen. Wel ontstonden er kleine vonkjes binnen de waterstraal dus daar doe ik het maar mee.

Resultaten
Omdat ik gelijk een werkende kelvindruppelaar had kon ik mijn hypotheses gaan toetsen. Ik liet de kelvindruppelaar dan meestal gewoon druppelen en wachten tot er iets van een ladingsverschil plaatsvond. Zodra ik dan vonkjes zag binnen de waterstraal telde ik het dat er voldoende lading was opgebouwd.

Luchtvochtigheid
Je zou bij de kelvindruppelaar verwachten dat de luchtvochtigheid een rol speelt bij
Vonk 1 Vonk 2 Vonk 3
Normale lucht 174,69 76,32 86,50 17.3 graden 52% dew 8.9
Droge lucht – – – –
Vochtige lucht 447,21 – – 23 graden 95% dew 22

Aantal ionen
Demiwater steeds meer lading en steeds meer terugspringen als het de overgestemde lading bereikt.
Vonk 1 Vonk 2 Vonk 3
Kraanwater 174,69 76,32 86,50
Demiwater 303,49 23,63 397,83
Zout water 107,02 70,04 55,33

Hoogte kraantjes ten opzichte van de ringen
Vonk 1 Vonk 2 Vonk 3
5 cm boven 55,12 61,50 71,04
in 27,99 33,87 31,12
3.5 cm in 27,54 23,13 35,06

Druppelsnelheid

vonk 1 vonk 2 vonk 3
8 druppels per seconde – – –
20 druppels per seconde 43,57 30,24 38,32
40 druppels per seconde 87,14 44,79 38,85

Deze resultaten zijn niet heel erg betrouwbaar aangezien het heel erg lastig was om de hoeveelheid druppeltjes gelijk te zetten met de stroboscoop. Ook had de kelvindruppelaar al lading opgebouwd toen ik besloot om door te gaan naar de volgende meting van 20 druppels per seconde

Lading van een druppel kraanwater
De afbuiging van een waterdruppeltje langs de bol bereken je met Vx=V*sin⁡α. V is de snelheid die je meet met de stroboscoop, bij mij 40.7 m/s. α is de afbuiging van de waterstraal ten opzichte van de normale weg in graden, bij mij 15 Vx=40,7*sin⁡15= 10,534 m/s. Vervolgen om de versnelling A te berekenen gebruik je de formule A=∆Vx/∆t . Vx hadden we net berekend maar delta t nog niet. Daarvoor gebruik je de stroboscoop en de V die je al had, 40.7, wat je vermenigvuldigd met de hoeveelheid druppels die je dan ziet, bij mij 4. a=10.534/162,8 = 0.0647 m/s^2. Met a kan je de kracht F berekenen nadat je de massa hebt opgemeten, 0.022 g per waterdruppel. F=m*a ofwel F=0.022*〖10〗^3*0.0647 = 1.4234. Met deze waarde voor F kan je de lading van een waterdruppel berkenen met de formule F=f*(Q1*Q2)/(r^2). Q1 is de lading van de waterdruppel die je wilt berekenen, Q2 is de lading van de bol, f is een constante en r is de afstand van een waterdruppel tot het middelpunt van de bol. De lading van de mol was bij mij 3 miljoen volt omdat ik er een apparaat aan had gekoppeld dat de doorslag spanning van lucht opbouwde. In de formule staat er dan 1.4234=8.98755*(Q1*3*10^6)/(11,03^2). Als je deze formule uitwerkt kom je uit op Q1= 6.423*10^-15C als lading van een waterdruppel.
Conclusie en discussie
Na al het onderzoek kan ik dan eindelijk beginnen aan het trekken van conclusies. Ik wilde kijken of de kelvindruppelaar afhankelijk is van de druppelsnelheid, de luchtvochtigheid, de hoogte van de kraantjes en het aantal ionen in het water.

Luchtvochtigheid
Het nadeel van mijn proefjes bij luchtvochtigheid was dat ze niet lekker verliepen. Ik had een föhn meegebracht om de lucht heel droog te maken zodat ik kon kijken hoe de kelvindruppelaar dan reageerde. Ik kreeg de lucht alleen niet droog dus daar heb ik geen resultaten van. Ik heb wel de lucht een heel stuk vochtiger gekregen door met een stuk plastic een soort tent over de druppelaar te maken. De luchtvochtigheid heeft toen de 99% aangetikt maar de vonken wilden niet lukken. Het duurde heel lang voor er wat gebeurde wat overeenkomt met mijn hypothese. Als de lucht heel vochtig is dan merkte je dat de de lading niet zo lekker wordt opgebouwd omdat er veel lek lading is dat wordt afgestaan aan de waterdamp in de lucht. Op dit punt was mijn hypothese goed aangezien de luchtvochtigheid wel degelijk invloed heeft op mijn kelvindruppelaar.

Druppelsnelheid
Bij de druppelsnelheid heb ik de metingen niet zo goed gedaan. Ik had eerst de 8 druppels per seconde gedaan en daarmee was al wat lading opgebouwd. Daarna heb ik de kraantjes gewoon verder opengezet tot twintig druppels per seconde wat resulteerde voor nog snellere ladingsopbouw. Dit bedacht ik terwijl ik nog aan het meten was waardoor ik voor de volgende metingen wel de lading heb weggehaald. Daardoor zijn deze resultaten niet zo nauwkeurig. Wel zou je kunnen zeggen dat de kelvindruppelaar een bepaald aantal druppels nodig heeft om vonken te generen. Hoe meer druppels per seconde hoe eerder de druppelaar vonkt wat hij heeft toch een bepaald aantal druppels per seconde nodig.

Hoogte kraantjes
Als ik de kraantjes boven de ringen hing ontstonden er minder snel vonken. Dit zou kunnen komen omdat het elektrische veld van de ringen het water in de kraantjes minder goed kon beïnvloeden. Als ik de kraantjes in de ringen liet hangen ontstonden er sneller vonken. Dit zal komen doordat het elektrische veld van de ringen het water beter kan beïnvloeden. Ik snelde zelf als ik metingen wil doen het kraantje precies op de rand van de ringen op. Daardoor had ik het idee dat de druppelaar het beste werkte en ik de beste resultaten kreeg, maar volgens mijn resultaten had ik beter de kraantjes zo ver mogelijk in de ringen kunnen hangen aangezien hij dan beter zou moeten werken en de elektrische velden het water beter konden beïnvloeden.

Aantal ionen
Zoals ik al had verwacht werkte zoutwater beter bij de kelvindruppelaar en demi-water het slechtst. Zoutwater bevat veel ionen en zal dus best snel vonken genereren. Demi-water daarentegen zou alleen H2O bevatten en de vonken zouden uit moeten blijven. Dit was niet het geval, wat zou kunnen komen doordat er nog een beginlading was die alleen maar verder werd opgebouwd. Ook zou het kunnen dat de ring en het bakje niet goed met elkaar reageerden omdat demi-water minder ionen bevat. Kraanwater bevat juist veel opgeloste mineralen en werkt goed bij de kelvindruppelaar. Tegen mijn verwachtingen in kreeg ik toch resultaat met zoutwater want bij eerdere metingen lukte het niet om iets van lading op te bouwen. Dit is toch gelukt en zoals verwacht heeft het aantal ionen invloed op de werking van de druppelaar.

Lading van een kraanwaterdruppeltje
Tegen alle verwachtingen in is het me gelukt om de lading van een waterdruppeltje te berekenen. Dit heb ik gedaan met een apparaat dat vonken genereert die door de lucht overspringen. Je weet dan wat de lading is en daarmee kan je de lading van een waterdruppel bereken. Ik heb niet echt kunnen meten wat de lading is dus het resultaat vind ik niet betrouwbaar. Ook is het wel een stukje hoger dan mijn verwachting want ik verwachte een getal te krijgen van 10^-9 C uit mijn berekening kreeg ik een getal van 10^-15 C. Dit laat zien dat kraanwater wel een lading heeft maar dat die heel klein is.

Vervolgonderzoek
Voor vervolgonderzoek zou ik als eerste de lading van een waterdruppeltje berekenen. De methode die ik heb gebruikt heeft gewerkt, maar daar is ook alles mee gezegd. Als je een goede elektroscoop heb dan kan je sneller een betrouwbaar resultaat voor de lading van een waterdruppeltje vinden. Toen ik alles ging opschrijven kwam ik erachter dat ik een fout in mijn berekening had gemaakt. De straal heb ik verkeerd genomen, maar ik weet niet wat het goede getal zou moeten zijn. Bij vervolgonderzoek zou dat een van de eerste dingen zijn die ik zou veranderen.
Ook zou ik misschien een soort van een tent maken waar we de lucht heel erg droog maken voor de luchtvochtigheid. Daarmee kan je dan een beter resultaten meten voor de luchtvochtigheid aangezien ik nu alleen normale lucht en vochtige lucht een resultaat heb. Verder zou ik de druppelsnelheid anders doen. Hierbij zou ik tussendoor de lading weghalen zodat je bij een nieuwe meting nog zonder lading begint. Ook was het heel erg lastig om de precieze druppelsnelheid te meten. De stroboscoop zond lichtflitsen uit waarmee je de druppelsnelheid kon zien. Het was heel lastig om de precieze druppelsnelheid hieruit op te maken wat ik in vervolgonderzoek ook zeker anders zou doen.

Nawoord
Ik vond het heel erg leuk om me met dit onderzoek bezig te houden. Toen ik op het idee kwam om de lading van een waterdruppel te berekenen geloofde niemand dat het me zou lukken, zelfs ik had er niet veel hoop op. Tegen alle verwachtingen in is het me dan toch gelukt om de lading van een waterdruppeltje te berekenen met een enigszins normaal antwoord.

Ik ben heel erg trots geworden op het eindresultaat van dit profielwerkstuk. Zeker als je bedenkt dat veel mensen me voor gek verklaren omdat ik de lading van een waterdruppel wil berekenen en het me dan toch lukt. Ook de verdere metingen vond ik heel erg leuk om te doen. Ik ben erachter dat ik de praktijk heel erg leuk vind, maar het saaie verslag maken niet. Toen ik een van de eerste keren de kelvindruppelaar gebruikte ging ik helemaal enthousiast langs mijn begeleider omdat ik het zo leuk vond. Ook al zeggen veel mensen dat je onderwerp je tegen gaat staan is dat bij mij nog niet gebeurt, aan het einde vond ik het misschien nog wel leuker dan aan het begin omdat je je onderwerp beter begrijpt door al het onderzoek dat je erop hebt verricht.