開爾文滴水起電機(jī)的運(yùn)行原理與改進(jìn)研究

費(fèi)賢翔，楊子拮，王文華

開爾文滴水起電機(jī)的運(yùn)行原理與改進(jìn)研究

費(fèi)賢翔a，楊子拮b，王文華a

(廣東海洋大學(xué) a.理學(xué)院；b.工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

該文分析了開爾文滴水放電的原理，通過實(shí)驗(yàn)研究了影響放電的因素，找到了影響放電的主要因素和次要因素，并對(duì)放電裝置進(jìn)行了改進(jìn)；再用不同濃度的NaCl溶液做放電實(shí)驗(yàn)，研究了溶液導(dǎo)電能力與放電間隔的關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了開爾文放電實(shí)驗(yàn)的原理。改進(jìn)后的開爾文起電機(jī)，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性得到了很大的提升。這一改進(jìn)研究對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制作及實(shí)驗(yàn)的演示有重要意義。

開爾文滴水起電機(jī)；放電間隔；NaCl；線圈

1861年，英國(guó)科學(xué)家開爾文發(fā)明了一種滴水起電機(jī)。這是一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn):1)實(shí)驗(yàn)裝置獲取容易；2)對(duì)滴水的初始狀態(tài)沒有要求；3)利用正反饋，能將微小的電荷量迅速放大[1-2]。但是，一個(gè)多世紀(jì)以來，人們雖然對(duì)開爾文起電機(jī)進(jìn)行了研究，并對(duì)最初的起電機(jī)進(jìn)行了改良，但對(duì)原理的解釋一直很模糊。本文對(duì)起電機(jī)放電的各種因素進(jìn)行了研究，并提出了放電關(guān)鍵因素與次要因素，對(duì)傳統(tǒng)的開爾文滴水放電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，使得放電效果非常明顯，同時(shí)還研究了不同濃度的NaCl溶液對(duì)放電間隔的影響。這些改進(jìn)將有利于此實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，滴水裝置E滴水，水滴與孔口或與空氣摩擦將極微量的電荷帶給金屬桶C，使C帶負(fù)電，連接在C上的感應(yīng)線圈D也帶負(fù)電，而D又感應(yīng)落下的水滴，使進(jìn)入金屬桶B的水帶正電，與B相連的A也帶正電。隨著水滴不斷落下，B、C兩桶內(nèi)的正負(fù)電荷不斷積累，當(dāng)電壓超過絕緣極限值時(shí)，連在B、C兩桶上的電極間就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象極具觀賞性[3-4]。

圖1 開爾文滴水試驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)放電過程中的電荷產(chǎn)生進(jìn)行分析。進(jìn)入B桶的水為什么會(huì)帶正電?如圖2所示，水在流下來的過程中并不是連續(xù)的，在上部是連續(xù)的，而在下半部分是分離的。感應(yīng)線圈D放置在分界的地方，使水滴產(chǎn)生極化現(xiàn)象，上負(fù)下正，由于重力和D上負(fù)電荷吸引的作用，水滴分離，使得水滴上的正負(fù)電荷分離，正電荷落下，負(fù)電荷通過圖1中滴水裝置E與另一出水口的正電荷中和，在E中有電流產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)中，將鋁箔放入E的水中，在鋁箔的表面有電解反應(yīng)，鋁箔上有微小氣泡；這說明在E中確實(shí)有電流產(chǎn)生，與實(shí)際情況相符合。

2 開爾文放電裝置的優(yōu)化

實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到起電慢、不放電的現(xiàn)象。下面將研究影響放電的因素，找出關(guān)鍵因素，并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

實(shí)驗(yàn)主要部分如圖3所示，整體采用木頭框架，由滴水裝置、感應(yīng)裝置、接水裝置和放電裝置四部分構(gòu)成[5-6]。為了保持實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和一致性，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)的濕度和溫度都做了限制，濕度20(有說明的除外)，溫度298 K，電極間的距離1.5 mm。

圖3 開爾文滴水起電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

采用倒推法來研究影響放電效果的因素。首先，兩個(gè)電極要放電，必須要有足夠的電壓，而電壓的大小在電極確定的情況下和電量有關(guān)，所以就要保證有足夠的電量；電量的多少取決于積累電荷的快慢，積累電荷越快，則放電速度越快。積累電荷的快慢與感應(yīng)線圈和水流速度有關(guān)，所以可以對(duì)感應(yīng)線圈和水流速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次，要想電荷積累得更快，則需要漏電盡可能少，也就是說裝置的絕緣性要好。因此，所有的優(yōu)化，都是基于減少漏電和增加感應(yīng)兩方面考慮。

2.1 滴水裝置

滴水裝置是一個(gè)4 L的塑料盒，絕緣性好，容量大，能儲(chǔ)存大量的水，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)間足夠長(zhǎng)。水槽底部打兩個(gè)孔，插入輸液管作為出水口，利用輸液管上的流速調(diào)節(jié)器，可方便靈活地控制水流的速度。

2.2 線圈的改造

如圖4所示，圖(a)是本文的螺旋形感應(yīng)裝置，圖(b)是傳統(tǒng)的直桶形感應(yīng)線圈。傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈直徑較大，線圈匝數(shù)少，感應(yīng)效果較差；在用NaCl溶液做實(shí)驗(yàn)時(shí)，螺旋形線圈一般在7～12 s內(nèi)開始放電，而直桶形線圈則需要14～20 s，如表1所示。螺旋形線圈起電效果好，主要原因是:1)線圈直徑可以做得小點(diǎn)，線圈能夠更靠近流水，這樣在單位距離上線圈密度更大；2)線圈帶電，會(huì)對(duì)滴水有吸引力，會(huì)導(dǎo)致滴水方向的改變，而滴水方向改變后，就可能落在線圈上，使正負(fù)電荷中和，從而影響電荷的積累，而螺旋形線圈在水平面內(nèi)排列，在豎直方向上的距離很短，即使滴水方向改變了也很難作用在線圈上。

圖4 感應(yīng)線圈

直桶形線圈是豎直方向排列，豎直向滴落的水很容易被吸引到線圈上，不利于實(shí)驗(yàn)的持續(xù)；并且，為了避免水滴落到線圈上，直桶形線圈的直徑一般都做得較大，由于直徑大，所以在單位距離內(nèi)線圈密度小。如果將直桶形線圈的匝數(shù)做多點(diǎn)，就增加豎直方向的距離。為增加對(duì)比效果，實(shí)驗(yàn)中的線圈直徑和匝數(shù)相同，僅排列方向不同；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同形狀線圈的比較

2.3 線圈的材料

線圈一般采用漆包線(直徑1～1.5 mm)，本文采用電話線的內(nèi)線(銅芯直徑0.44 mm，包括絕緣層1.00 mm)。采用內(nèi)線的好處是:1)內(nèi)線比一般的漆包線更細(xì)，可以繞更多的匝數(shù)；2)內(nèi)線更柔軟，容易改造成合適的形狀；3)內(nèi)線外面有塑料絕緣層，絕緣性能比漆包線好，能更好地防止漏電。

2.4 接水裝置的改造

把鋁箔放入接水桶內(nèi)，滴落下來的水經(jīng)鋁箔到盆內(nèi)，鋁箔接反饋線圈，這樣做可以讓電荷更快地導(dǎo)入反饋線圈內(nèi)，從而加快放電速度，如圖5所示。接水裝置放在泡沫箱上，以加強(qiáng)絕緣性能。

圖5 接水裝置改造

2.5 電極的選擇和改造

電極一般有尖形電極和球形電極兩種選擇[7-8]。尖形電極容易放電，但也容易漏電，很多人在做實(shí)驗(yàn)時(shí)都忘記了這一點(diǎn)。球形電極在各個(gè)方向曲率半徑都相同，漏電少，并且電容也夠大，可以存儲(chǔ)更多的電荷，放電效果更好。因此，本文選擇球形電極，并在球形電極表面加了一層絕緣層，以防止球形電極漏電進(jìn)入空氣。

2.6 線圈位置及水流的形狀影響

實(shí)驗(yàn)中水流有圓柱狀和水滴不連續(xù)兩種形狀。圓柱狀水流在落到一定的位置，由于水滴速度不一樣會(huì)形成水滴不連續(xù)的水流，如圖6所示。線圈位置處在兩種水流分界面靠上的位置時(shí)，放電效果最佳；如果靠近下部，或者放在圓柱水流附近，都很難產(chǎn)生放電效果，只能有輕微起電的現(xiàn)象。

圖6 線圈位置和水流形狀的關(guān)系

2.7 絕緣好壞對(duì)放電的影響

絕緣是放電能否成功的最重要一環(huán)[9-10]。絕緣包括裝置與大地、裝置與空氣以及裝置內(nèi)部器件的絕緣。實(shí)驗(yàn)裝置采用木頭架，并且在接水桶下面用厚泡沫與大地隔離；裝置內(nèi)部器件與空氣接觸的部分用絕緣膠帶包上，防止與空氣接觸。濕度對(duì)放電影響最為重要，如表2所示，當(dāng)濕度大于50時(shí)很難產(chǎn)生放電現(xiàn)象，當(dāng)濕度大于70時(shí)，不能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，只能產(chǎn)生感應(yīng)電荷；這主要是因?yàn)闈穸忍?，?shí)驗(yàn)裝置漏電嚴(yán)重，電荷積累不到放電所要求的電壓。

表2 不同濕度下放電效果的比較

3 不同濃度NaCl溶液對(duì)放電時(shí)間間隔的影響

為了驗(yàn)證我們?cè)谠聿糠值耐普摚瑢?shí)驗(yàn)中加入不同濃度的NaCl，通過改變自由離子濃度，觀察放電間隔與NaCl溶液濃度的關(guān)系。本文所取的數(shù)據(jù)是在放電穩(wěn)定后，連續(xù)放電11次的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同濃度NaCl溶液放電時(shí)間間隔

圖8 NaCl溶液濃度與放電間隔的關(guān)系

從圖7中可以看到，當(dāng)無NaCl時(shí)，放電間隔的波動(dòng)較大，且放電間隔時(shí)間較長(zhǎng)，隨著NaCl溶液濃度的增加，放電間隔的波動(dòng)逐漸變小，放電間隔時(shí)間變得越來越短[11-12]。這是因?yàn)樵陔姾煞e累期間，滴水裝置E的兩個(gè)出水口之間有電流。無NaCl溶液時(shí)自由離子濃度小，導(dǎo)電能力弱，滴水裝置E中的電流不穩(wěn)定，導(dǎo)致電荷積累速度時(shí)快時(shí)慢，放電間隔波動(dòng)大，放電間隔較長(zhǎng)。當(dāng)NaCl溶液濃度增大時(shí)，由于自由離子濃度增大，溶液的導(dǎo)電性能得到提高，此時(shí)電荷積累速度加快，并且很穩(wěn)定，所以放電間隔波動(dòng)較小，放電速度也加快。當(dāng)溶液濃度達(dá)到2 mol/L時(shí)，放電間隔幾乎沒有波動(dòng)。這與本文在原理部分的分析是一致的。

取不同濃度溶液放電間隔的平均值，觀察溶液濃度與放電間隔之間的關(guān)系，如圖8所示，可以看到二者并不是成完全的線性關(guān)系，隨著NaCl溶液濃度的增大，放電間隔雖然減小，但減小的幅度越來越少。這是因?yàn)榱魉e累電荷的速度有一個(gè)最大值，當(dāng)自由離子達(dá)到一定濃度時(shí)，在滴水裝置E中產(chǎn)生的電流完全滿足電荷積累的需要，當(dāng)再增大離子濃度時(shí)，電流將不會(huì)再增大，對(duì)電荷積累速度的影響也越來越小。

4 結(jié)束語

1)影響放電的主要因素是濕度、裝置絕緣程度和線圈的位置；次要因素包括線圈的形狀、溶液的導(dǎo)電能力、接水裝置以及線圈的材質(zhì)等。

2)通過對(duì)上述因素的研究，將直桶形線圈改為螺旋形線圈，通過增加溶液的導(dǎo)電能力，改善絕緣性能等措施，使放電更穩(wěn)定可靠。

3)在一定范圍內(nèi)，溶液的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，滴水裝置E中的電流越大，放電間隔越??；而當(dāng)E中電流足夠大時(shí)，積累電荷的速度保持穩(wěn)定，溶液導(dǎo)電能力的影響會(huì)越來越小。

改進(jìn)后的開爾文起電機(jī)，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性大大加強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制作及實(shí)驗(yàn)的演示有重要意義。

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Research on the Principle and Improvement of Kelvin Dripping-Water Charge Collector

FEI Xianxianga， YANG Zijieb， WANG Wenhuaa
(a.School of Science； b.School of engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China)

The principle of Kelvin dripping-water discharge is analyzed，and the factors that affect the discharge are studied by experiments.The main factors and secondary factors are found and the discharge device is improved.The relationship between the conductivity of the solution and the discharge interval was studied by using different concentrations of NaCl solution，and the principle of Kelvin discharge experiment was further verified.The improved Kelvin dripping-water charge collector has greatly improved the stability of the experiment.The research is important for the manufacture of laboratory equipment and the demonstration of the experiment.

Kelvin dripping-water charge collector； discharge interval； NaCl； coil

O441.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.007

2016-04-20；修改日期:2016-06-17

費(fèi)賢翔(1978-)，男，碩士，講師，主要從事微電子學(xué)方面的研究工作。