流水起电装置实验指导说明书暗影行者

1、基于静电感应原理的流水起电装置（实验指导说明书）太原科技大学应用科学学院大学物理实验中心目录一、引言1二、实验器材1三、实验原理3四、实验过程6五、实验结果6六、注意事项8一、引言基于静电感应原理的流水起电装置是凭借带电水滴转 移和积累电荷的静电起电装置，其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，该起电装置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。 麦克斯韦曾说过，实验的教育价值，往往与仪器的复

2、杂性成 反比，此实验的特点是成本低廉、材料易得、加工简单，旨 在培养学生动手能力和深刻理解电荷的产生、聚集以及感应 起电的原理。二、实验器材顶部绝缘水箱1个铜质导电环（桶、线圈）2个绝缘小桶2个带开关的导水管2个导线2根万用表1台实物装置图:三、实验原理该起电装置是根据静电感应原理使水滴带电起电的，它 是借助带电水滴转移和积累电荷的静电起电装置。仪器上部有1个储水装置a,储水装置a下部接三通导 管b,水沿导管b漏下后分成2个支路，c端和d端接有能 控制水滴大小的夹子，下面再各接1个玻璃锥形管，可使水 滴从尖端向下滴，e和f为2个金属圆筒，水滴可从筒的中 心通过，g和h为2个盛接滴水的铝锅，用导

3、线将金属圆筒 e和f与铝锅g和h交叉相连.两铝锅之间、金属筒与水管 之间要有良好的绝缘。此装置的每一部分开始时几乎都不带电，由于水中有正 负离子（正负电荷）的存在，下落的水流（或水滴）可能偶然 地把极微量的电荷带给金属水桶（盆），造成水桶带有微量电 荷，任何一个桶获得少量的不平衡电荷，就足以开始正反馈 的充电过程。其基本原理是静电感应.静电感应使水滴带电，带电水 滴的下落使电荷积累，结果提高了两铝锅之间的电位差，进 而强化了静电感应.在这样一个正反馈过程中，水滴不断滴 入两铝锅，使它们之间的电位差不断提高.其具体过程如下： 由于空气中带电粒子在两铝锅上附着的涨落，设某一时 刻的涨落使g铝锅的电

4、位高于h铝锅的电位，由于金属圆筒 e与h相连，金属圆筒f与g相连，使得c端尖部与d端尖 部都受到静静电场的作用。由于静电感应（可将水看作导体）， d端尖部的水滴带负电，使c端尖部的水滴带正电.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 荷落人铝锅中，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b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。假设左边桶获得正电荷，则与之相连的右边导电环也有 一定的正电荷。由于静电感应作用，右手

5、导电环上的正电荷 会吸引负电荷到右边的水流中。右边的水滴会携带负电荷下 落滴到右边的桶内，使右边桶所带的负电荷增加积累，从而 又会使左边的导电环也带负电，它将会吸引正电荷到左边的 水流中。当水滴落到桶内，他们各自携带的正负电荷就会转 移到桶上并积累起来，这个正反馈过程将使每个桶和导电环 获得更多的电荷，形成更强的静电感应，如此这般积少成多, 循环进行，电荷分离速度逐步加快，电荷积累量随时间呈指 数增长，短时间内便能在两金桶之间建立起高电压。最后，当两个金属水桶之间达到高电压时，就会看到水 流由于导电环的极化作用而散开，同时用万用表测出的电压 数值不断上升，并最终达到一动态平衡值。在理想状况下，

6、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。四、实验过程(1) 关闭开关，往储水装置中加满清水(盐水更好，请考 虑为什么)。(2) 打开开关，将水流控制到合适的流速，并使其从导电 环中心流下。(3) 仔细观察水流的形状和万用表

7、中电压的数值。五、实验结果俯视图被极化的水流被极化后散开的水流侧视图上升的电压数值六、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32°c,湿度34%）,慢慢调节控制阀，使滴 水管口处形成水滴流，大约8 min后就可观察到水花飞溅， 形成伞状（如图3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45。左右，两接水筒之间电压约为9 kv.表 1为不同空气湿度下（10%70%）相对

8、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。对于传统的静电 起电机，当环境湿度超过25%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70%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：表1不同湿度下最大静电压（环境温度32匕）环境湿度/%预加电压/v时间/5最大静电压/kv162004059.4252004309.234200470& 952200526&am

9、p; 4702005937.21. 绝缘问题为使该起电装置在潮湿的环境明显起电，须确保实验装置绝缘良好，才能减小漏电的可能性。制作开尔文滴水起电机面临的绝缘问题主要包括感应线圈和接水桶与地之间的 漏电，感应线圈和接水桶与潮湿空气之间的离子交换，接 水桶水面与潮湿空气的离子交换。实验所用的感应线圈是带 着绝缘皮的电线，将电线的两端直接伸人另一侧接水桶。用 烧杯代替传统的铝锅，并在烧杯内倒入食用油，这些措施有 效减小了设备表面与潮湿富离子空气的离子交换。采用了绝 缘底座上放有机玻璃板和泡沫板的方法，并且容器本身就是 具有良好绝缘的烧杯，这样也大大减小了设备与地之间漏电 的可能性。因而，该装置在潮湿的环境下起电效果也很明显。2. 尖端放电问题为了避免尖端放电，需要尽量减少毛刺和尖端。与传统的设计相比，利用电线绕制感应圈，很好地避免了交叉连接线的接头所产生的尖端放电。滴水后，感应引线的两端伸入水中，不会因击穿空气而放电，唯一可能引起尖端放电的 就是静电计的尖端。3. 水滴速度的调节技巧将水滴调节到合适的状态，会大大提高起电的速度。调 节时需要注意，水滴流不可太密以至于成为线流，