多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置的設(shè)計(jì)

趙麗特，李遠(yuǎn)興，陳毅湛，羅仁華，陳樹(shù)堅(jiān)，鄧偉豪，蘇水興，黃承濤

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多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置的設(shè)計(jì)

趙麗特，李遠(yuǎn)興，陳毅湛，羅仁華，陳樹(shù)堅(jiān)，鄧偉豪，蘇水興，黃承濤

（五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

為提高傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電裝置的起電速率，通過(guò)增加導(dǎo)電環(huán)的個(gè)數(shù)，使單邊導(dǎo)電環(huán)由單環(huán)變?yōu)?環(huán)、4環(huán)、9環(huán)，制成多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置起電速率有較為明顯的提高.

開(kāi)爾文滴水起電裝置；多環(huán)；起電速率

傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電機(jī)是英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文于1867年發(fā)明的一種靜電產(chǎn)生裝置，它的原理為通過(guò)靜電感應(yīng)和正反饋調(diào)節(jié)，能在短時(shí)間內(nèi)形成的高壓并擊穿空氣，產(chǎn)生放電現(xiàn)象[1]. 該裝置具有巨大的應(yīng)用潛力，可用于靜電除塵、分子極化、教學(xué)演示等[2-3]. 但實(shí)驗(yàn)時(shí)受環(huán)境濕度等多種因素影響，傳統(tǒng)的開(kāi)爾文滴水起電裝置起電效果不理想[4-5]. 本文在傳統(tǒng)開(kāi)爾文起電裝置的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地增加導(dǎo)電環(huán)個(gè)數(shù)，研究裝置中多環(huán)對(duì)起電速率的影響.

1 原理及亮點(diǎn)

開(kāi)爾文裝置原理如圖1，由儲(chǔ)水器A、開(kāi)關(guān)B、滴水孔C和D、感應(yīng)導(dǎo)電環(huán)E和F、接水桶G和H、放電尖端M和N及導(dǎo)管、導(dǎo)線(xiàn)若干組成，E與H、F與G分別相連. 由于水在導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生沖流電流[6]，使得從滴水孔C、D流出的水滴帶電. 假設(shè)某一時(shí)刻經(jīng)過(guò)C孔的水滴帶正電荷，則電荷隨水滴落入G中，使F也帶有正電荷，F(xiàn)帶電后產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)吸引D中負(fù)電荷向下運(yùn)動(dòng)，隨水滴一起滴落H中，使得E帶負(fù)電，C中正電荷被吸引向下運(yùn)動(dòng)，與水滴一同滴入G中，同時(shí)C、D中被向上排斥的正負(fù)電荷在導(dǎo)管內(nèi)相遇而中和，這樣EH、FG構(gòu)成一個(gè)正反饋感應(yīng)系統(tǒng)，靜電感應(yīng)不斷加強(qiáng)，電荷迅速積累，放電尖端M、N短時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象.

多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置與傳統(tǒng)裝置的起電原理基本一致，其亮點(diǎn)在于每個(gè)環(huán)產(chǎn)生的靜電場(chǎng)會(huì)對(duì)附近的導(dǎo)電環(huán)產(chǎn)生積極影響[7]，達(dá)到增強(qiáng)導(dǎo)電環(huán)靜電場(chǎng)的效果，從而使整個(gè)裝置的正反饋調(diào)節(jié)更快、更強(qiáng). 多環(huán)開(kāi)爾文起電裝置中的九環(huán)示意圖如圖2所示.

圖1 開(kāi)爾文滴水起電原理圖

圖2 九環(huán)示意圖

2 多環(huán)滴水起電裝置

圖3 2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)部分實(shí)物圖

導(dǎo)電環(huán)的制作：根據(jù)田得良等[8]的研究，將銅絲緊繞在口徑的PVC管上制成導(dǎo)電環(huán)，銅絲外繞絕緣膠帶保護(hù)，銅絲通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)、鱷魚(yú)夾和下面的金屬桶相連. 其中2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)部分在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可整體互相替換，方便進(jìn)行不同環(huán)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)物圖如圖3所示.

接水桶的制作：將導(dǎo)線(xiàn)焊接在金屬桶桶壁，將尖端和毛刺磨平，外桶壁用絕緣膠帶密封. 接水桶上端口放透明薄板做成的圓柱壁，用來(lái)防止水外濺，以保持裝置干燥性[9].

儲(chǔ)水器的制作：用亞克力板、玻璃膠拼接粘合而成，呈長(zhǎng)方體. 儲(chǔ)水器通過(guò)水管與自來(lái)水相連，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)控制自來(lái)水水流大小，保持儲(chǔ)水器液面高度（如圖1）不變.

裝置的出水系統(tǒng)：通過(guò)導(dǎo)管與儲(chǔ)水箱相接，由8個(gè)開(kāi)關(guān)、18個(gè)銅油嘴及導(dǎo)管有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成，可使每個(gè)噴嘴的出水速度可調(diào)，可在同一裝置進(jìn)行單環(huán)、2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)實(shí)驗(yàn).

整個(gè)裝置各部分左右上下可調(diào)，方便進(jìn)行不同要求、不同條件下的實(shí)驗(yàn). 實(shí)物圖及3D模擬圖如圖4、圖5所示.

圖4 多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置實(shí)物圖

圖5 多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝3D圖

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)在專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室的固定位置進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用空調(diào)保持環(huán)境溫度不變，使用抽濕機(jī)保持環(huán)境濕度60%不變. 周?chē)鸁o(wú)其他儀器，保持環(huán)境電磁場(chǎng)不變，且無(wú)空氣擾動(dòng)的影響. 據(jù)顏君等[10]研究，實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)保持儲(chǔ)水器液面高度不變，調(diào)節(jié)出水口分開(kāi)關(guān)，將每個(gè)滴水孔的流速控制在200滴/min，控制滴水孔最低端與導(dǎo)電環(huán)最高端垂直距離（如圖1中所示）為，使水滴穿過(guò)導(dǎo)電環(huán)中心后落入接水桶[11].

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程只改變環(huán)的個(gè)數(shù)（通過(guò)更換分開(kāi)制作的2環(huán)、4環(huán)和9環(huán)導(dǎo)電環(huán)部分），更換過(guò)程中不影響其他實(shí)驗(yàn)參數(shù). 實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)水箱下開(kāi)關(guān)B后，起電過(guò)程迅速進(jìn)行，表現(xiàn)為水滴在下落過(guò)程中由直線(xiàn)下落變成弧形下落，并產(chǎn)生水霧向四周分散，放電尖端M、N在內(nèi)開(kāi)始放電，內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定放電狀態(tài). 待放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)如表1.

表1 不同環(huán)數(shù)的開(kāi)爾文滴水起電裝置的放電速率數(shù)據(jù)表（流速：200滴/min 溫度：25℃ 濕度：60%）

4 結(jié)語(yǔ)

本文改進(jìn)了開(kāi)爾文滴水起電裝置，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上創(chuàng)造性的增加導(dǎo)電環(huán)個(gè)數(shù)，制成多環(huán)開(kāi)爾文滴水起電裝置，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，得到2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)裝置的平均起電速率，發(fā)現(xiàn)增加環(huán)數(shù)能有效提高滴水裝置的起電速率，這不僅優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)裝置，而且為后續(xù)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，使開(kāi)爾文滴水起電裝置從實(shí)驗(yàn)室走向生活、走向應(yīng)用的設(shè)想成為可能.

[1] 李憲武，任國(guó)珍. 滴水起電機(jī)及其在演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，1987, 2(6): 20-21.

[2] 高朋，周騰蛟. 開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的簡(jiǎn)易裝置與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008, 26(3): 303-305.

[3] 曾育鋒，黃少端，李曉漫，等. 開(kāi)爾文滴水起電器的探究與應(yīng)用[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015, 28(6): 24-27.

[4] 張仁彥，鄧意麒，彭剛. 開(kāi)爾文滴水起電機(jī)在潮濕環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2011, 31(9): 37-40.

[5] 丁時(shí)慧. 簡(jiǎn)易滴水起電裝置的設(shè)計(jì)與制作[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2012, 41(12): 47-49.

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

[7] 劉誠(chéng)杰，劉景世. 均勻帶電細(xì)圓環(huán)電場(chǎng)的分布[J]. 大學(xué)物理，2005, 24(8): 19-20.

[8] 田得良，蔡?hào)|陽(yáng)，葉曉靖，等. Kelvin滴水發(fā)電機(jī)起電速度探究及裝置改進(jìn)[J]. 大學(xué)物理，2015, 34(10): 51-56.

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[10] 顏君，劉璐，段濤，等. 滴水感應(yīng)起電儀的實(shí)驗(yàn)及其改進(jìn)研究[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012, 27(3): 60-64.

[11] 任曉南. 滴水起電機(jī)簡(jiǎn)易裝置的制作與研究[J]. 物理教師，2011, 32(6): 36-37.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Design of Multiple-Ring Kelvin Dripping Devices

ZHAOLi-te, LIYuan-xing, CHENYi-zhan, LUORen-hua, CHENShu-jian, DENGWei-hao,SUShui-xing, HUANGCheng-tao

(School of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to improve the electrification rate of the traditional Kelvin dripping device, the number of unilateral conductive rings is increased from single ring to double rings, four rings and nine rings, resulting in multiple-ring Kelvin dripping devices, which significantly improves the electrification rate of Kelvin dripping devices.

Kelvin dripping device; multiple ring; electrification rate

1006-7302（2017）03-0039-03

O4-33

A

2017-01-20

廣東省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（2015KCXTD027）；五邑大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（2015zk13，2016zk07）；江門(mén)市基礎(chǔ)與理論科學(xué)研究類(lèi)科技計(jì)劃項(xiàng)目〔2016〕189號(hào)；2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201611349062）.

趙麗特（1979—），女，山西晉城人，講師，碩士，研究方向?yàn)槲锢斫逃凸δ鼙∧げ牧?