開爾文滴水起電機在潮濕環(huán)境下的實驗研究

張仁彥，鄧意麒，彭 剛

（國防科學技術大學 理學院 物理系，湖南 長沙410073）

1 引 言

開爾文滴水起電機由英國科學家開爾文發(fā)明，僅用幾個罐子和幾根電線組合的裝置，通過滴水就能獲取到數(shù)千伏特以上的靜電高壓［1］．這個精巧設備的偉大之處在于通過巧妙設計，將自然界中微小的不平衡利用起來，形成良好的正反饋，從而產(chǎn)生了一個巨大的正負系統(tǒng)．實際上，開爾文滴水起電機是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的，它蘊含著豐富的實驗思想，現(xiàn)象新奇有趣［2］．但是，和絕大部分靜電實驗一樣，開爾文滴水起電機只有在涼爽、干燥的環(huán)境下，起電效果才較為明顯．在我國廣大南方等較為潮濕的環(huán)境下，傳統(tǒng)開爾文滴水起電機的起電效果很不明顯，甚至不能起電．本文改進了傳統(tǒng)開爾文滴水起電機，通過增大水溶液的離子濃度，改善傳統(tǒng)滴水起電機的表面絕緣性以及預加初始電荷等方法使其能在潮濕的環(huán)境下快速獲得高壓靜電，實驗現(xiàn)象十分明顯．

2 開爾文滴水起電機

開爾文滴水起電機是根據(jù)靜電感應原理使水滴帶電而起電的，它是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的靜電起電裝置．開爾文滴水起電機的傳統(tǒng)裝置如圖1所示［3］．

圖1 開爾文滴水起電機示意圖

儀器上部有1個儲水裝置A，儲水裝置A下部接三通導管B，水沿_導管B漏下后分成2個支路，C端和D端接有能控制水滴大小的夾子，下面再各接1個玻璃錐形管，可使水滴從尖端向下滴，E和F為2個金屬圓筒，水滴可從筒的中心通過，G和H為2個盛接滴水的鋁鍋，用導線將金屬圓筒E和F與鋁鍋G和H交叉相連．兩鋁鍋之間、金屬筒與水管之間要有良好的絕緣［4］．

開爾文滴水起電機的基本原理是靜電感應．靜電感應使水滴帶電，帶電水滴的下落使電荷積累，結(jié)果提高了兩鋁鍋之間的電位差，進而強化了靜電感應．在這樣一個正反饋過程中，水滴不斷滴入兩鋁鍋，使它們之間的電位差不斷提高．其具體過程如下：

由于空氣中帶電粒子在兩鋁鍋上附著的漲落，設某一時刻的漲落使G鋁鍋的電位高于H鋁鍋的電位，由于金屬圓筒E與H相連，金屬圓筒F與G相連，使得C端尖部與D端尖部都受到靜電場的作用．由于靜電感應（可將水看作導體），D端尖部的水滴帶負電，使C端尖部的水滴帶正電．水滴在與尖端脫開時就分別帶上少量的靜電荷，下落的水滴攜帶電荷落入鋁鍋中，因此兩鋁鍋所帶的電荷量不斷增多，電位差不斷增大．這些電荷一到鍋中就立即流向鋁鍋的外表面，連同與之相連的金屬筒的電位不斷提高，進而強化了導管B中水柱的靜電感應，使每滴水攜帶的電量更多，不斷循環(huán)這一正反饋過程，這使兩鋁鍋之間的電位差不斷提高［5］．

在理想狀況下，由于系統(tǒng)的絕緣性非常好，兩鋁鍋之間所能達到的電位差會非常高，達到數(shù)萬伏．但是，在實際實驗的過程中，系統(tǒng)的絕緣性不可能非常好，也就是說，電荷會因為尖端放電、溶液表面與空氣的電荷交換以及系統(tǒng)與地面之間的漏電等原因而不斷流失，則兩鋁鍋之間的電位差存在一個最大值．隨著兩鋁鍋之間的電位差不斷增加，靜電感應會不斷強化，但同時電荷流失速度也不斷加快．當電荷的積累與電荷的流失達到平衡時，兩鋁鍋之間的電位差也就達到最大．

3 實驗裝置設計

傳統(tǒng)開爾文滴水起電機在我國南方較為潮濕的環(huán)境下的起電效果很不明顯甚至不能起電，是由于在炎熱、潮濕環(huán)境下，空氣中攜帶了大量的正負離子，傳統(tǒng)開爾文儲水裝置的表面完全暴露在這種富離子空氣中，儲水裝置表面很容易與潮濕空氣進行離子交換；并且?guī)щ娝蜗侣涞絻λb置這一過程中，帶電水滴也很容易與富離子空氣進行離子交換，從而很難觀察到起電現(xiàn)象．因此，必須對傳統(tǒng)裝置進行改進，才能在潮濕炎熱環(huán)境下觀察到明顯的靜電效果，下面給出具體實驗裝置制作方法．

3．1 實驗材料

細導線若干，燒杯2個，絕緣塑料筒2個，水槽1個，輸液管2個，絕緣支架1個，有機玻璃板2塊，泡沫板2塊，食用鹽若干等．

3．2 滴水裝置

溶液選擇：在水中加入食鹽若干作為滴液．

儲水裝置A：可以選用有機玻璃方形槽，也可選用其他塑料儲水裝置．

滴水管B和滴水開關：用2個一次性輸液器作為滴水管B，利用一次性輸液器的控制閥作為滴水開關．將一次性輸液管的一端放入儲水裝置A中，利用虹吸原理將儲水裝置A中的水吸到滴水管B中，再通過滴水開關控制水的滴落速度．

支架：實驗室常用的支架稍作改裝，就可以用作開爾文滴水起電機的支架．

3．3 感應線圈與盛水筒

感應線圈：用細導線繞在絕緣塑料筒上，并將兩端都多留出一截，分別伸入另一側(cè)的盛水筒的液面下．調(diào)整線圈的位置使其中心位于錐形管的下端，線圈的上沿略低于錐形管，然后將線圈固定．在感應線圈的制作中，用的是帶著絕緣皮的細導線，將細導線的兩端直接伸入另一側(cè)的接水桶中．

盛水筒：直接利用大燒杯作為盛水筒，在大燒杯的底部放置金屬絲，用于固定各連接線．實驗前，倒入適量食用油，將金屬絲淹沒．

用自制的絕緣感應線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)開爾文滴水起電裝置的金屬圓桶，用大燒杯代替鋁鍋，并在燒杯內(nèi)倒入食用油等措施基本避免了金屬圓筒、金屬鋁鍋以及鋁鍋內(nèi)水表面與潮濕空氣接觸，這些措施有效減小了裝置表面與富離子潮濕空氣的離子交換，并避免了金屬圓筒、鋁鍋等表面毛刺導致的尖端放電，從而達到了減少漏電的目的．

3．4 絕緣底座

做好本實驗，底座的絕緣也很重要．在實驗中，首先在絕緣支架的底座上放一有機玻璃板，再在玻璃板上放置泡沫板．實驗過程中，要注意保持底座的干燥，不可使水濺到底座上．

最終的實驗裝置如圖2所示．

圖2 滴水起電機實驗

4 實驗結(jié)果與討論

將靜電高壓計與感應線圈連接，并利用摩擦起電機使接水筒帶上少量電荷．由于我們設計的裝置有效避免了與潮濕空氣的接觸，空氣中帶電粒子很難在兩燒杯上附著形成漲落，所以需要人為加上電荷，讓燒杯兩端帶上相反電荷．在實驗室環(huán)境下（溫度32℃，濕度34%），慢慢調(diào)節(jié)控制閥，使滴水管口處形成水滴流，大約8 min后就可觀察到水花飛濺，形成傘狀（如圖3所示），驗電器指針偏轉(zhuǎn)至極限位置不動．靜電計的指針偏轉(zhuǎn)到45°左右，兩接水筒之間電壓約為9 k V．表1為不同空氣濕度下（10%～70%）相對應的達到最大靜電壓所需時間和最大靜電壓．從表中可以看出，隨著環(huán)境濕度的增大，達到最大靜電壓所需要的滴水時間增大，并且最大靜電壓減小．說明隨著濕度增大，漏電增強．對于傳統(tǒng)的開爾文靜電起電機，當環(huán)境濕度超過25%就很難得到明顯的靜電效果，改進后實驗裝置在空氣濕度達70%的環(huán)境下也能得到非常好的起電效果．經(jīng)分析，我們認為這主要是由于改進后的裝置有效避免了漏電和避免了裝置與空氣之間的離子交換，表現(xiàn)在以下幾方面：

圖3 實驗效果圖

表1 不同濕度下最大靜電壓（環(huán)境溫度32℃）

4．1 絕緣問題

為使開爾文滴水起電機在潮濕的環(huán)境明顯起電，須確保實驗裝置絕緣良好，才能減小漏電的可能性［6］．制作開爾文滴水起電機面臨的絕緣問題主要包括感應線圈和接水桶與地之間的漏電，感應線圈和接水桶與潮濕空氣之間的離子交換，接水桶水面與潮濕空氣的離子交換．實驗所用的感應線圈是帶著絕緣皮的電線，將電線的兩端直接伸入另一側(cè)接水桶．用燒杯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁鍋，并在燒杯內(nèi)倒入食用油，這些措施有效減小了設備表面與潮濕富離子空氣的離子交換．采用了絕緣底座上放有機玻璃板和泡沫板的方法，并且容器本身就是具有良好絕緣的燒杯，這樣也大大減小了設備與地之間漏電的可能性．因而，該裝置在潮濕的環(huán)境下起電效果也很明顯．

4．2 尖端放電問題

為了避免尖端放電，需要盡量減少毛刺和尖端．與傳統(tǒng)的設計相比，利用電線繞制感應圈，很好地避免了交叉連接線的接頭所產(chǎn)生的尖端放電．滴水后，感應圈引線的兩端伸入水中，不會因擊穿空氣而放電［7］，唯一可能引起尖端放電的就是靜電計的尖端．

4．3 水滴速度的調(diào)節(jié)技巧

將水滴調(diào)節(jié)到合適的狀態(tài)，會大大提高起電的速度［3］．調(diào)節(jié)時需要注意，水滴流不可太密以至于成為線流，這樣電荷就會沿水流而中和，使實驗失敗；水滴流速太慢，會降低靜電感應的效率，遲遲看不到效果．可以先把水滴調(diào)成線流，然后慢慢調(diào)節(jié)控制閥使之剛好成為水滴流即可．

4．4 其他因素

增加溶液的離子濃度（例如加入適量食鹽等）可以提高水滴離子濃度，從而提高帶電量，這樣能快速獲得靜電高壓，并且獲得的靜電壓也更高．

5 結(jié)束語

影響開爾文滴水起電機起電效率的關鍵在于系統(tǒng)漏電與電荷積累速度之間的關系．為了讓開爾文滴水起電機能在潮濕的環(huán)境下明顯起電，應當盡量減少漏電的可能性．通過使用絕緣線圈代替金屬圓筒、大燒杯代替鋁鍋、燒杯內(nèi)倒入適量食用油以及在溶液中加入少量食鹽等措施，改進后的滴水起電機能夠適用南方潮濕、高溫的環(huán)境，并能迅速得到高壓靜電，實驗效果非常明顯．

［1］ 盛正陽，胡朱寧．開展科技活動的好實驗——滴水起電［J］．物理教師，1998，19（3）：18－19．

［2］ 李洪澤，梁灝，高儀．Kelvin滴水起電機的初始起電的物理原理［J］．物理實驗，1988，8（2）：87－90．

［3］ 路峻嶺．物理演示實驗教程［M］．北京：清華大學出版社，2005．

［4］ 胡米寧，盛正陽．滴水起電機的原理及其制作方法［J］．實驗教學與儀器，1998，（2）：39－40．

［5］ 高朋．基于意義性原則的生活實驗情境物理教學研究［J］．沈陽師范大學學報：自然科學版，2007，25（4）：534－537．

［6］ 張偉．中學物理實驗教學研究與演示教具設計［M］．呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社，2001．

［7］ 吳家寬．開爾文滴水感應起電機制作與技巧［J］．物理教師，2002，23（2）：28．

［8］ 劉炳升．中學物理教學與自制教具［M］．上海：上海教育出版社，2000．

［9］ 朱向陽，崔纓子．感應起電機起電原理的實驗探究及其解釋［J］．物理實驗，2009，29（8）：22－27．

［10］ 朱向陽．有趣的“電風”驅(qū)動實驗［J］．物理實驗，2009，29（5）：28－29．