開爾文滴水起電機的改進與應(yīng)用

姜祖國 胡尊山

(江蘇省沭陽高級中學,江蘇 沭陽 223600)

開爾文滴水起電機的傳統(tǒng)裝置滴水速度慢、水流細等原因?qū)е路e累電荷慢,受濕度影響大,實驗效果差.針對以上情況,筆者進一步探究實驗,改進裝置,著重解決以下問題:(1) 快速起電.做到不受尖端放電、空氣潮濕等影響而快速積累大量電荷,實驗時在極短時間內(nèi)產(chǎn)生靜電.(2) 拓展實驗.將裝置作為高壓電源,完成靜電飛花、火花放電、靜電擺、靜電風輪等各種高壓靜電實驗.

1 實驗原理

圖1 起電機裝置圖

起電機的起電原理是感應(yīng)起電,如圖1所示,從同一水源流出的水經(jīng)過兩感應(yīng)線圈落入下方的儲水容器,兩個感應(yīng)圈與其下方的儲水容器用導(dǎo)線進行交叉連接,形成正反饋.水中含有微弱的正負電荷,當兩管道中有水流下,通過感應(yīng)圈落入下方儲水容器時,由于靜電感應(yīng),將使感應(yīng)圈A及與之相連的儲水容器D帶上同種電荷,同時另一感應(yīng)圈B及與之相連的儲水容器C將帶上與A、D相反的異種電荷.當水持續(xù)流動時在兩感應(yīng)圈及與之相連的容器上不斷積累電荷,產(chǎn)生高壓.

2 所需的材料及工具

電木板、塑料水桶、導(dǎo)水管、304不銹鋼感應(yīng)圈2個、導(dǎo)線、水泵、304不銹鋼金屬盆2個、鋁箔紙、透明亞克力管(1000×50、1000×40各2根)、304不銹鋼板、黃銅片等材料.

3 裝置結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)包含以下幾個主要部分:框架(透明塑料管架、電膠木板底座、彎頭塑料管等);供水系統(tǒng)(含電動水泵、水桶、塑料透明輸水軟管);起電系統(tǒng)(感應(yīng)圈、反饋導(dǎo)線、不銹鋼儲水容器及支架);靜電演示設(shè)備(放電器、靜電風輪及其支架、靜電擺球等),裝置成品如圖1所示.

4 制作過程

4.1 框架的制作

用電膠木板制作底座(1000×260×10),在電膠木板底面的4個角安裝4個橡膠腳墊,上面兩端安裝兩個不銹鋼法蘭盤用于固定透明亞克力管支架.亞克力粗管(1000×50×44×3)、細管(1000×40×32×3)各兩根,細的能在粗的管內(nèi)滑動,用于調(diào)節(jié)高度,用PVC轉(zhuǎn)接頭(50&40,上有不銹鋼堅固圈)連接與緊固,上端橫梁亦用亞克力管(840×40×32×2)連接.

4.2 導(dǎo)水管(內(nèi)6外8)的連接

圖2 框架主件圖

在亞克力管的底端鉆一個小孔,穿入軟水管,管端接塑料彎頭,上端從橫梁上穿出,用螺母固定,作為出水口,如圖2所示.

4.3 感應(yīng)圈的制作

取2個304不銹鋼管,鋼管直徑100 mm,截取120 mm長度作為感應(yīng)線圈,通過亞克力管及塑料套件連在豎立的框架上,如圖2所示.

4.4 緊鎖套管的制作

用帶鋸在PVC轉(zhuǎn)接頭的管上鋸出十字形縫,用激光切割機切割304不銹鋼板條(160×6×1)兩根,用鉗子折彎,用螺絲鎖緊,如圖2所示.達到感應(yīng)圈、外框支架高度均可調(diào).

4.5 接水容器支架的制作

為了絕緣,用PVC塑料管和亞克力板材制作支架,高度600 mm.

4.6 儲水容器制作

半球形304不銹鋼容器,上邊用美工刀背刮除棱角,之后用海綿砂紙打磨圓滑,防止尖端放電.

4.7 感應(yīng)圈與外框支架之間連接桿的制作

在電腦上作圖,用激光雕刻機切割厚8 mm的亞克力板材作為感應(yīng)圈的固定臂,用帶鋸截取直徑25 mm、長135 mm亞克力管作為連接桿,分別在相應(yīng)位置打孔,用304不銹鋼螺絲固定.

綜合理論與現(xiàn)狀分析，課題組對創(chuàng)新學習指導(dǎo)課、創(chuàng)新學習課堂教學模式、學生小課題研究和創(chuàng)新學習策略等具體實施策略在較大范圍內(nèi)進行了驗證性實驗，并不斷進行論證優(yōu)化。為了取得更好的效果，我們既開設(shè)了專業(yè)的創(chuàng)新學習課，也設(shè)置了學科滲透課，并舉行了學生創(chuàng)新成果大賽。從實驗學校和實驗學生的實際出發(fā)，按照教學規(guī)律，我們設(shè)計出創(chuàng)新學習的課程，在初始年級實驗班級中開設(shè)，數(shù)十萬名學生使用，每周一節(jié)，排進課表，小學為小課，20分鐘。初高中為40分鐘，實驗學校在重慶有450多所，在廣東、黑龍江、新疆等10多個省、直轄市、自治區(qū)有近500所。

4.8 葉輪及導(dǎo)電支架的制作

圖3

在電腦上用CDR軟件作圖,用激光切割機切割304不銹鋼板條(100×6×1)2根,用鉗子將兩端分別折彎成如圖3所示,并分別在折彎短的一端固定一根長8 cm的針.再設(shè)計兩端為尖端的葉輪兩根,用激光切割機切割完畢,在中間打孔固定支撐點,再分別將葉輪彎曲成如圖3所示形狀.

4.9 放電器制作

圖4

在電腦上用CDR軟件作圖,用激光切割機切割304不銹鋼板(厚1.0 mm),用老虎鉗折彎成如圖4所示形狀.

4.10 靜電擺球的制作

圖5

用錫箔紙包在泡沫球上,用膠水粘好,再穿上塑料絲線和掛鉤;在電腦上設(shè)計碰撞電極,用激光切割機切割304不銹鋼板(厚1.0 mm),用老虎鉗折彎成如圖5所示形狀.

4.11 組裝

把各組件組裝成完整起電裝置,如圖1所示.

5 起電速度的影響因素及研究結(jié)論

5.1 流水速度與水流粗細

水流速度直接影響起電效果,有的研究結(jié)論是:將軟管接到上面的水箱里,用閥門控制滴水速度,水流不能太快也不能太慢,將水滴控制在即將形成線性水流的狀態(tài),太快形成水流易引起短路,太慢積累電荷慢,起電時間長.

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),改滴水為流水,粗且流速快的水流起電速度更快.把傳統(tǒng)裝置的水箱滴水轉(zhuǎn)換為通過一個三通將抽水機從桶中抽取的水分流到兩個出水管道,啟動抽水機,只需幾秒即發(fā)生起電現(xiàn)象.

進一步研究發(fā)現(xiàn),水流的粗細及長度要滿足一定關(guān)系才能快速起電.用抽水機抽水,增大流速,水從出水口流出,由于重力作用,下方的速度比上方的要快,通過調(diào)節(jié)出水管口與接水容器之間的距離,50 cm以上可避免短路現(xiàn)象.

5.2 感應(yīng)圈

感應(yīng)圈既可用銅導(dǎo)線繞制,也可以用不銹鋼管做成.經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn):圈的直徑大小要適當,不能太小也不能太大,一般以直徑100 mm左右,長度120mm左右為宜,直徑太小,長度太長,水花易濺到上面形成短路現(xiàn)象.

5.3 儲水容器

儲水容器的導(dǎo)電性能沒有要求,既可用導(dǎo)電的不銹鋼,也可用塑料容器.如果用塑料容器,與感應(yīng)圈連接的反饋導(dǎo)線的線頭要與容器里面的水相接觸,最好放在容器底部.如果是不銹鋼容器,只要導(dǎo)線與容器相連即可.

5.4 反饋導(dǎo)線

只有反饋導(dǎo)線交叉連接且做到線間的絕緣,水流經(jīng)過感應(yīng)圈落入儲水容器后才能引起感應(yīng)起電.

5.5 水的鹽度

實驗發(fā)現(xiàn):用自來水做實驗,效果明顯,用鹽水做,起電速度沒有明顯提升,因此水的鹽度對本實驗影響不大.

5.6 水源

用一臺水泵抽水,通過三通分流到兩出水管道或者在兩出水管道分別用兩臺水泵,抽取同一水源的水,起電速度快.若用兩臺水泵抽取不同水源的水,也有靜電產(chǎn)生,但實驗效果沒有連接一個水源的效果好.因此,進入兩水管的水需接同一水源.

6 注意事項

該裝置產(chǎn)生的電壓很高,為防止觸電,實驗中禁止身體與設(shè)備導(dǎo)電部分直接接觸,每次操作結(jié)束都要用放電針把靜電放掉.

7 拓展實驗

7.1 靜電飛花與火花放電

圖6

圖7

如圖6所示,在兩感應(yīng)圈上分別安裝放電針,打開水泵開關(guān),水流通過感應(yīng)圈.幾秒后,水流散開,水花向四周飛濺,形狀猶如一束帶靜電的絲線排斥散開,近距離觀察,甚至發(fā)現(xiàn)感應(yīng)圈下端口的小水珠飛入感應(yīng)圈上端口的情況.兩放電針間出現(xiàn)閃亮的電弧,長度達到15 mm,伴隨著啪啪的放電聲.

7.2 靜電擺與靜電風輪

如圖7所示,安裝好葉輪并裝在感應(yīng)圈上,把錫箔紙做的小球懸掛在兩感應(yīng)圈中間.當水泵開關(guān)接通,水流流過感應(yīng)圈,幾秒鐘后,水流散開,小球在兩感應(yīng)圈之間快速振蕩起來,與感應(yīng)圈碰撞發(fā)出啪啪聲;同時葉輪開始轉(zhuǎn)動,且越轉(zhuǎn)越快.

8 創(chuàng)新之處

(1) 用電動水泵供水,變滴水為流水.改進后可把水箱放在地上,減少設(shè)備架設(shè)高度,降低重心,可增加支架的穩(wěn)定性.(2) 增強可視性.支架、外殼等用透明亞力克材料制成,絕緣性能好,可視性高,設(shè)備可調(diào),方便探究影響產(chǎn)生靜電的因素.(3) 添加接水盆支架.添加接水盆支架,可有效避免接水桶間漏電.(4) 拓展應(yīng)用.通過調(diào)節(jié)水流流速及水流長度,縮短起電時間,增強實驗效果,使實驗不受濕度、地域等因素影響.本裝置作為高壓電源能輕松完成多種高壓靜電實驗.