开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究.doc

物理实验第 卷第 期 年 月櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究张 仁 彦 ，邓 意 麒 ，彭刚（国 防 科 学 技 术 大 学 理 学 院 物 理 系 ，湖 南 长 沙 ）摘 要：探讨了开尔文滴水起电机要求环境凉爽、干燥的原因，并对传统的开尔文滴水起电机进行了改进，通传统滴水起电机的表面绝缘性，增大水溶液的离子浓度以及预加初始电荷等方法使其能在潮湿的环境下快速 获的高压静电，起电效果明显关键词：开尔文滴水起电机；潮湿；离子交换；静电高压计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言开尔文滴 水 起 电 机 由 英 国 科学家开尔文发 明，仅用几个罐子和几根电线组合的装置，通过滴 水就能获取到数千伏特以上的静电高压这个 精巧设备的伟大之处在于通过巧妙设计，将自然 界中微小的不平衡利用起来，形成良好的正反馈， 从而产生了一个巨大的正负系统实际上，开尔 文滴水起 电 机 是 借 助 带电水滴转移和积累电荷 的，它蕴含着丰富的实验思想，现 象 新 奇 有 趣 但是，和绝大部分静电实验一样，开尔文滴水起电 机只有在凉爽、干燥的环境下，起电效果才较为明 显在我国广大南方等较为潮湿的环境下，传统 开尔文滴水起电机的起电效果很不明显，甚至不 能起电本文改进了传统开尔文滴水起电机，通 过增大水溶液的离子浓度，改善传统滴水起电机 的表面绝缘性以及预加初始电荷等方法使其能在 潮湿的环境下快速获得高压静电，实验现象十分 明显图开尔文滴水起电机示意图路， 端和 端 接 有 能 控 制 水 滴 大 小 的 夹面再各接个玻璃锥形管，可使水滴从尖滴， 和 为个金属圆筒，水滴可从筒的 过， 和 为 个 盛 接 滴 水 的 铝 锅，用 导 属圆筒 和 与铝锅 和 交叉相连之间、金属筒与水管之间要有良好的绝缘开尔文滴水起电机的基本原理是静 电静电感应使水滴带电，带电水滴的下落使累，结果提高了两铝锅之间的电位差，进而 静电感应在这样一个正反馈过程中，水 滴入两铝锅，使它们之间的电位差不断提 具体过程如下：由于空气 中 带 电 粒 子 在 两 铝锅上附 落，设某一时刻的涨落使 铝锅的电位高 锅的电位，由于金属圆筒 与 相连，金 与 相连，使得 端尖部与 端尖部都开尔文滴水起电机开尔文滴水起电机是根据静电感应原理使水滴带电而起电的，它是借助带电水滴转移和积累 电荷的静电起电装置开尔文滴水起电机的传统 装置如图所示仪器上部有个储水装置 ，储水装置 下 部接三通导管 ，水沿导管 漏下后分成 个支收稿日期：；修改日期：资助项目：国家教育指导委员会教改基金（）作者简介：张仁彦（），男，湖南长沙人，国防科学技术大学理学院物理系 级本科通讯作者：彭刚（），男，湖南宁乡人，国防科学技术大学理学院物理系讲师，博士，从事微纳电子器件开电水滴在与尖端脱开时就分别带上少量的静电荷，下落的水滴携带电荷落入铝锅中，因此两铝锅 所带的电荷量不断增多，电位差不断增大这些 电荷一到锅中就立即流向铝锅的外表面，连同与 之相连的金属筒的电位不断提高，进而强化了导 管 中水柱的静电感应，使每滴水携带的电量更 多，不断循环这一正反馈过程，这使两铝锅之间的 电位差不断提高在理想状况下，由于系统的绝缘性非常好，两 铝锅之间所能达到的电位差会非常高，达到数万伏但是，在实际实验的过程中，系统的绝缘性不 可能非常好，也就是说，电荷会因为尖端放电、溶液表面与空气的电荷交换以及系统与地面之间的 漏电等原因而不断流失，则两铝锅之间的电位差 存在一个最大值随着两铝锅之间的电位差不断 增加，静电感应会不断强化，但同时电荷流失速度 也不断加快当电荷的积累与电荷的流失达到平 衡时，两铝锅之间的电位差也就达到最大 中，利用虹吸原理将储水装置 中的水吸到滴水管 中，再通过滴水开关控制水的滴落速度支架：实验室常用的支架稍作改装，就可以用 作开尔文滴水起电机的支架感应线圈与盛水筒感应线圈：用细导线绕在绝缘塑料筒上，并将 两端都多留出一截，分别伸入另一侧的盛水筒的 液面下调整线圈的位置使其中心位于锥形管的 下端，线圈的上沿略低于 锥 形管，然 后 将 线 圈 固 定在感应线圈的制作中，用的是带着绝缘皮的 细导线，将细导线的两端直接伸入另一侧的接水 桶中盛水筒：直接利用大烧杯作为盛水筒，在大烧杯的底部放置金属丝，用于固定各连接线实验 前，倒入适量食用油，将金属丝淹没用自制的绝缘感应线圈代替传统开尔文滴水 起电装置的金属圆桶，用大烧杯代替铝锅，并在烧 杯内倒入食用油等措施基本避免了金属圆筒、金 属铝锅以及铝锅内水表面与潮湿空气接触，这些 措施有效减小了装置表面与富离子潮湿空气的离 子交换，并避免了金属圆筒、铝锅等表面毛刺导致 的尖端放电，从而达到了减少漏电的目的实验装置设计传统开尔文滴水起电机在我国南方较为潮湿的环境下的起电效果很不明显甚至不能起电，是 由于在炎热、潮湿环境下，空气中携带了大量的正 负离子，传统开尔文储水装置的表面完全暴露在 这种富离子空气中，储水装置表面很容易与潮湿 空气进行离子交换；并且带电水滴下落到储水装 置这一过程中，带电水滴也很容易与富离子空气 进行离子交换，从而很难观察到起电现象因此， 必须对传统装置进行改进，才能在潮湿炎热环境 下观察到明显的静电效果，下面给出具体实验装 置制作方法绝缘底座做好本实验，底 座 的 绝 缘 也 很 重 要在 实 验 中，首先在绝缘支架的底座上放一有机玻璃板，再 在玻璃板上放置泡沫板实验过程中，要注意保 持底座的干燥，不可使水溅到底座上最终的实验装置如图所示实验材料细导线若干，烧杯 个，绝缘塑料筒 个，水 槽个，输液管 个，绝缘支架 个，有机玻璃板块，泡沫板块，食用盐若干等滴水装置溶液选择：在水中加入食盐若干作为滴液储水装置 ：可以选用有机玻璃方形槽，也可 选用其他塑料储水装置滴水管 和滴水开关：用个一次性输液器图滴水起电机实验第 期张仁彦，等：开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究绝缘问题为使开尔文滴水起电机在潮湿的环境 电，须确保实验装置绝缘良好，才能减小漏 能性制作开尔文滴水起电机面临的绝实验结果与讨论将静电高压计与感应线圈连接，并利 用 摩 擦起电机使接水筒带上少量电荷由于我们设计的 装置有效避免了与潮湿空气的接触，空气中带电 粒子很难在两烧杯上附着形成涨落，所以需要人 为加上电荷，让烧杯两端带上相反电荷在实验 室环境下（温度 ，湿度），慢慢调节控制 阀，使滴水管口处形成水滴流，大约 后就可 观察到水花飞溅，形成伞状（如图所示），验电器 指针偏转至极限位置不动静电计的指针偏转到左右，两接水筒之间电压约为表为不 同空气湿度下（）相对应的达到最大静电压所需时间和最大静电压从表中可以看出，随着环境湿度的增大，达到最大静电压所需要的 滴水时间增大，并且最大静电压减小说明随着 湿度增大，漏电增强对于传统的开尔文静电起 电机，当环境湿度超过 就很难得到明显的静 电效果，改进后实验装置在空气湿度达 的环 境下也能得到非常好的起电效果经分析，我们 认为这主要是由于改进后的装置有效避免了漏电 和避免了装置与空气之间的离子交换，表现在以 下几方面：主要包括感应线圈和接水桶与地之间的漏应线圈和接水桶与潮湿空气之间的离子交水桶水面与潮湿空气的离子交换实验所应线圈是带着绝缘皮的电线，将电线的两伸入另一侧接水桶用烧杯代替传统的铝在烧杯内倒入食用油，这些措施有效减小表面与潮湿富离子空气的离子交换采用 底座上放有机玻璃板和泡沫板的方法，并 本身就是具有良好绝缘的烧杯，这样也大 了设备与地之间漏电的可能性因而，该 潮湿的环境下起电效果也很明显尖端放电问题为了避免尖端放电，需要尽量减少毛端与传统的设计相比，利用电线绕制感应好地避免 了 交 叉 连 接 线 的 接 头 所 产 生 的电滴水后，感应圈引线的两端伸入水中，击穿空气而放电，唯一可能引起尖端放是静电计的尖端水滴速度的调节技巧将水滴调节到合适的状态，会大大提 的速度调节 时 需 要 注 意，水滴流不可 至于成为线流，这样电荷就会沿水流而中和验失败；水滴流速太慢，会降低静电感应的迟迟看不到效果可以先把水滴调成线流慢慢调节控制阀使之刚好成为水滴流即可其他因素增加溶液的离子浓度（例如加入适量食可以提高水滴离子浓度，从而提高带电量，快速获得静电高压，并且获得的静电压也更图实验效果图结束语影响开尔文滴水起电机起电效率的关系统漏电与电荷积累速度之间的关系为表 不同湿度下最大静电压（环境温度 ）环境湿度预加电压时间最大静电压尔文滴水起电机能在潮湿的环境下明显起当尽量减少漏电的可能性通过使用绝缘替金属圆筒、大烧杯代替铝锅、烧杯内倒入用油以及在溶液中加入少量食盐等措施，的滴水起电机能够适用南方潮湿、高温的环能迅速得到高压静电，实验效果非常明显呼和浩特：内蒙古人民出版社，吴 家 宽开 尔 文 滴水感应起电机制作与技巧 物理教师，（）：刘炳升中 学 物 理 教 学 与 自 制 教 具 上 海：上 海教育出版社，朱向阳，崔缨 子感 应 起 电 机 起电原理的实验探究 及其解释物理实验，（）：朱向 阳有 趣 的 “电 风”驱 动 实 验 物 理 实 验，（）：盛正阳，胡 朱 宁开展科技活动的好实验 滴 水起电物理教师，（）：李洪泽，梁