開爾文滴水起電機的改進與探究

韓傳燊 寇慧玲 董 琦 孟現美

(山東師范大學物理與電子科學學院,山東 濟南 250358)

1867年,英國科學家開爾文發明了一種水滴發電裝置.這是一個簡單卻迄今令人迷惑的精巧裝置(物理現象),它能將重力勢能直接轉換成靜電勢能.這種裝置取材簡單,操作簡易,容易激發學生的思考熱情,在物理教學上具有很大價值;展現的物理現象及其原理,不但對學生認識自然現象具有積極作用,而且為我們提供了一個潛在的技術應用前景.[1-2]

然而,關于開爾文起電機,仍有許多不清楚和有待改進的問題.除了關于初始電荷的發生本質至今沒有定論,現有起電裝置還存在起電速率慢,實現靜電高壓比較困難,放電效果難以觀察等問題.本文介紹了一個高效實用的滴水實驗裝置,并利用該裝置研究了影響起電時間和電荷轉移效率的因素.

1 傳統開爾文滴水起電機及其原理

傳統開爾文滴水起電機如圖1所示,包含一個儲水槽、兩個滴水管、兩個金屬感應圓筒、兩個金屬桶和一對正反饋導線回路.水滴從滴水管口B(C)滴下,通過感應金屬筒D(E),落入金屬桶F(G)中,很快就會在感應圓筒E(D)上集聚起相異的電荷,而且電荷量隨時間呈指數增加,短時間內可形成靜電高壓.

圖1 傳統開爾文滴水起電機示意圖

然而,關于開爾文滴水起電機的機制,尤其是初始電荷的發生本質至今仍沒有一個確定的解釋,人們為此已提出了各種不同觀點.[3-7]這些觀點可分為兩類,一類是離開兩個滴水管口的水滴偶然性地攜帶微弱的相異電荷,落入金屬桶后導致正反饋電路的靜電感應;另一類是,由于空氣的影響兩個金屬桶偶然地帶上微量相異電荷,從而激發靜電感應.令人遺憾的是,這兩種觀點目前還沒有定論.除此之外,關于開爾文起電機是如何通過靜電感應將水中的正負電荷分離這一問題,目前也存在不同觀點.有學者認為,水滴上的電荷是來自水與管壁的摩擦,有學者認為是水的相對流速不同,還有學者認為是因為水中的雜質離子、氫離子和羥基離子.總之,關于開爾文感應起電機還有許多有待解決的問題,在此提出這些問題,期望引起讀者的興趣和思考.

其中的靜電感應過程比較好理解.假設,金屬桶G因某種“偶然性”帶了微弱正電荷,則與其相連的圓筒D就帶正電.由于同種電荷相互排斥,帶有正電的圓筒D對滴水管B附近正電荷產生向上排斥的作用,使其被推到水流更深處.而由于異種電荷相互吸引,負電荷受向下的吸引力.因此,在靜電感應作用下自B端滴落的水滴會攜帶過量的負電荷.電荷誘導的過程可簡化為如圖2所示的模型.這個正反饋過程不斷地循環往復,兩感應筒之間的電壓隨電荷的積累不斷增大,進而產生靜電高壓并出現擊穿空氣放電的現象.

圖2 電荷誘導過程模型

2 開爾文滴水起電機的改進

2.1 新設計

新裝置結構如圖3,其支架以PVC塑料管拼接而成;滴水裝置是用塑料導水管引出兩支路,分別連接兩個由閥門和塑料錐形管組成的可調滴水管;兩個不銹鋼圓筒作為感應圓筒;用錫箔紙包裹泡沫球做成靜電擺球,通過細線將其固定于框架中央;裁剪兩大小完全相同的金屬網作為集電裝置,并固定在感應圓筒正下方;用PE塑料盆收集滴下的水滴;利用單片機控制抽水泵實現水的循環使用.

圖3 裝置改進示意圖與實物圖

2.2 新設計效果

新設計主要在5個方面做了改進,提高了實驗效果.

(1) 提高了電荷轉移效率.傳統的開爾文滴水起電機通過金屬桶收集電荷,當水滴滴落到金屬桶中,由于水滴無法和金屬桶充分接觸,許多電荷滯留于水中,進而影響實驗效果.改用金屬網后,帶電水滴滴落到金屬網上與之充分接觸,電荷完全轉移到金屬網上并直接隨導線傳導到感應圓筒上,提高了電荷的轉移效率,起電時間隨之縮短.

(2) 解決了容積限制問題.傳統開爾文滴水起電機在使用過程中受金屬桶容積的限制,一旦金屬桶積滿水,實驗就會停止.由于經金屬網過濾后的水滴不帶電荷,新設計將傳統的金屬桶改為了PE塑料盆,并把與單片機相連的抽水泵置于盆中,直接泵水到儲水瓶,使裝置中的水得到循環利用的同時解決了容積限制問題.

(3) 單片機控制器優化實驗過程.單片機控制器結構如圖4,通過磁電法測定不同輸水速率所對應的電機轉速,向單片機寫入電機轉速控制程序,通過改變PWM波的占空比,調節水泵電機轉速,使輸水速度與滴水管流速相同.這樣就可以保持儲水瓶中水位高度恒定,避免水壓的變化帶來水滴流速的改變.另外,可通過數碼管顯示時間,實現計時功能,便于數據的測量和讀取.新設計實現了實驗過程的自動化控制,優化了實驗過程.

圖4 單片機控制器

(4) 消除水滴散射的不良影響.改進后的開爾文滴水起電機的效率顯著提高,很快會出現高壓靜電現象,并引起水滴破裂和散射現象(圖5).這個現象可以用于觀察起電效果,但也會產生不良影響,散射的帶電水滴滴落到電性相反的金屬網上,電荷相互抵消,導致靜電電壓降低.新設計在兩個感應圓筒的中下方設置絕緣隔離板,既保證對水滴破裂和散射現象的觀察,又避免了散射的不良影響.

圖5 電場引起的水滴變形和破裂

(5) 增強了裝置可視性.開爾文滴水起電機常利用放電現象觀察其起電效果,可視性較差.新設計增設一個靜電擺球,當起電機積累一定量的電荷后,小球在電場力作用下在兩圓筒中間擺動.兩圓筒間電場越強,小球擺動頻率越高,據此可判斷起電效果的好壞.

3 探究影響起電效率的因素

3.1 水滴流速對起電時間的影響

實驗表明,調節閥門改變水滴流速,對起電時間具有明顯影響.為研究水滴流速與起電時間的關系,實驗過程如下.

(1) 將裝置中金屬網和感應圓筒的位置保持不變;斷開交叉連接的導線,使裝置斷路; (2) 調節閥門,控制兩滴水管流速相同,先控制水滴流速為50 mL/min,并保持速度不變; (3) 連接導線,同時開啟單片機開始計時,當觀察到水滴呈傘狀四散滴落時,停止計時,記錄時間; (4) 重復3次,取平均值,改變水滴流速重復上述操作.記錄實驗數據如表1,流速與起電時間關系如圖6.

表1 水滴流速與起電時間的關系表

圖6 水滴流速與起電時間的關系圖

由表1和圖6可知,開始,起電時間隨著水滴流速的提高而縮短,當流速達到125 mL/min時所用時間最短,起電效果最佳,此時水滴處于即將連接成線流卻又是以水滴的形式滴落的狀態;超過125 mL/min時,水滴連接成線流,起電時間隨著流速的提高而延長,起電效果也隨之變差.經研究分析發現,需將水滴流速控制于成為線流的臨界狀態,此時的起電時間最短.

分析其原因,當水滴流速低于125 mL/min,起電時間長,且起電過程中可能會存在某些不可控因素導致電荷的流失,致使起電時間更長.對于流速超過125 mL/min時,水滴連接成線,起電時間隨流速增高而延長的情況,可從微觀的角度解釋.假設水中的正負電荷隨水滴流動并在水流方向具有一定的速度,由于電荷受金屬圓筒產生的電場的作用力,這個力與電荷運動方向相反,使其具有反向運動的趨勢.隨著水滴流速的提高,使電荷運動反向所需的力越大,電荷的運動方向越難改變.當水滴連接成線流時,由于水滴流速過快,而電場力作用時間又十分短暫,電荷無法從水流中分離,水流整體對外并不顯電性,電荷無法積累,也就無法起電.

3.2 金屬網的材質對起電時間的影響

在實驗中發現,集電裝置金屬網本身的特性對起電時間有影響,因此金屬網材質的選擇也十分關鍵.在固定水滴流速、金屬網位置的高低、形狀的大小以及網格的密度等條件后,分別采用不同材質金屬網進行多次實驗,測量其起電時間,數據如表2,不同材質和起電時間關系如圖7.

表2 不同材質金屬與起電時間的關系表

圖7 不同材質的金屬網與起電時間的關系

通過表2與圖7發現,電導率的大小與實驗測得的起電時間呈負相關,即所選擇的金屬的電導率越高,起電時間越短,實驗效果越好.在所選擇的金屬中,銅網和鋁網對電荷的轉移效率尤為優秀,而其中用紫銅網進行的實驗所得效果最佳.

4 總結

本文針對傳統開爾文滴水起電機存在的不足之處進行了一系列改進,例如用金屬網(其中效果最優的為紫銅網)與PE塑料盆的組合裝置代替金屬桶,在提高起電速率的同時解決了容積的限制;利用單片機實現水泵轉速的控制和計時,優化了實驗過程;設置絕緣隔離板,防止正負電荷相互抵消降低靜電電壓;調節水滴流速保持在125 mL/min時,起電時間最短,僅需十幾秒即可起電,電壓最高可達18.7 kV.