開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的改進(jìn)與探究

韓傳燊 寇慧玲 董 琦 孟現(xiàn)美

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250358)

1867年,英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文發(fā)明了一種水滴發(fā)電裝置.這是一個(gè)簡(jiǎn)單卻迄今令人迷惑的精巧裝置(物理現(xiàn)象),它能將重力勢(shì)能直接轉(zhuǎn)換成靜電勢(shì)能.這種裝置取材簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)易,容易激發(fā)學(xué)生的思考熱情,在物理教學(xué)上具有很大價(jià)值;展現(xiàn)的物理現(xiàn)象及其原理,不但對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象具有積極作用,而且為我們提供了一個(gè)潛在的技術(shù)應(yīng)用前景.[1-2]

然而,關(guān)于開(kāi)爾文起電機(jī),仍有許多不清楚和有待改進(jìn)的問(wèn)題.除了關(guān)于初始電荷的發(fā)生本質(zhì)至今沒(méi)有定論,現(xiàn)有起電裝置還存在起電速率慢,實(shí)現(xiàn)靜電高壓比較困難,放電效果難以觀察等問(wèn)題.本文介紹了一個(gè)高效實(shí)用的滴水實(shí)驗(yàn)裝置,并利用該裝置研究了影響起電時(shí)間和電荷轉(zhuǎn)移效率的因素.

1 傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電機(jī)及其原理

傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電機(jī)如圖1所示,包含一個(gè)儲(chǔ)水槽、兩個(gè)滴水管、兩個(gè)金屬感應(yīng)圓筒、兩個(gè)金屬桶和一對(duì)正反饋導(dǎo)線回路.水滴從滴水管口B(C)滴下,通過(guò)感應(yīng)金屬筒D(E),落入金屬桶F(G)中,很快就會(huì)在感應(yīng)圓筒E(D)上集聚起相異的電荷,而且電荷量隨時(shí)間呈指數(shù)增加,短時(shí)間內(nèi)可形成靜電高壓.

圖1 傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電機(jī)示意圖

然而,關(guān)于開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的機(jī)制,尤其是初始電荷的發(fā)生本質(zhì)至今仍沒(méi)有一個(gè)確定的解釋,人們?yōu)榇艘烟岢隽烁鞣N不同觀點(diǎn).[3-7]這些觀點(diǎn)可分為兩類,一類是離開(kāi)兩個(gè)滴水管口的水滴偶然性地?cái)y帶微弱的相異電荷,落入金屬桶后導(dǎo)致正反饋電路的靜電感應(yīng);另一類是,由于空氣的影響兩個(gè)金屬桶偶然地帶上微量相異電荷,從而激發(fā)靜電感應(yīng).令人遺憾的是,這兩種觀點(diǎn)目前還沒(méi)有定論.除此之外,關(guān)于開(kāi)爾文起電機(jī)是如何通過(guò)靜電感應(yīng)將水中的正負(fù)電荷分離這一問(wèn)題,目前也存在不同觀點(diǎn).有學(xué)者認(rèn)為,水滴上的電荷是來(lái)自水與管壁的摩擦,有學(xué)者認(rèn)為是水的相對(duì)流速不同,還有學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)樗械碾s質(zhì)離子、氫離子和羥基離子.總之,關(guān)于開(kāi)爾文感應(yīng)起電機(jī)還有許多有待解決的問(wèn)題,在此提出這些問(wèn)題,期望引起讀者的興趣和思考.

其中的靜電感應(yīng)過(guò)程比較好理解.假設(shè),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(duì)滴水管B附近正電荷產(chǎn)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(fù)電荷受向下的吸引力.因此,在靜電感應(yīng)作用下自B端滴落的水滴會(huì)攜帶過(guò)量的負(fù)電荷.電荷誘導(dǎo)的過(guò)程可簡(jiǎn)化為如圖2所示的模型.這個(gè)正反饋過(guò)程不斷地循環(huán)往復(fù),兩感應(yīng)筒之間的電壓隨電荷的積累不斷增大,進(jìn)而產(chǎn)生靜電高壓并出現(xiàn)擊穿空氣放電的現(xiàn)象.

圖2 電荷誘導(dǎo)過(guò)程模型

2 開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的改進(jìn)

2.1 新設(shè)計(jì)

新裝置結(jié)構(gòu)如圖3,其支架以PVC塑料管拼接而成;滴水裝置是用塑料導(dǎo)水管引出兩支路,分別連接兩個(gè)由閥門(mén)和塑料錐形管組成的可調(diào)滴水管;兩個(gè)不銹鋼圓筒作為感應(yīng)圓筒;用錫箔紙包裹泡沫球做成靜電擺球,通過(guò)細(xì)線將其固定于框架中央;裁剪兩大小完全相同的金屬網(wǎng)作為集電裝置,并固定在感應(yīng)圓筒正下方;用PE塑料盆收集滴下的水滴;利用單片機(jī)控制抽水泵實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)使用.

圖3 裝置改進(jìn)示意圖與實(shí)物圖

2.2 新設(shè)計(jì)效果

新設(shè)計(jì)主要在5個(gè)方面做了改進(jìn),提高了實(shí)驗(yàn)效果.

(1) 提高了電荷轉(zhuǎn)移效率.傳統(tǒng)的開(kāi)爾文滴水起電機(jī)通過(guò)金屬桶收集電荷,當(dāng)水滴滴落到金屬桶中,由于水滴無(wú)法和金屬桶充分接觸,許多電荷滯留于水中,進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)效果.改用金屬網(wǎng)后,帶電水滴滴落到金屬網(wǎng)上與之充分接觸,電荷完全轉(zhuǎn)移到金屬網(wǎng)上并直接隨導(dǎo)線傳導(dǎo)到感應(yīng)圓筒上,提高了電荷的轉(zhuǎn)移效率,起電時(shí)間隨之縮短.

(2) 解決了容積限制問(wèn)題.傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電機(jī)在使用過(guò)程中受金屬桶容積的限制,一旦金屬桶積滿水,實(shí)驗(yàn)就會(huì)停止.由于經(jīng)金屬網(wǎng)過(guò)濾后的水滴不帶電荷,新設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的金屬桶改為了PE塑料盆,并把與單片機(jī)相連的抽水泵置于盆中,直接泵水到儲(chǔ)水瓶,使裝置中的水得到循環(huán)利用的同時(shí)解決了容積限制問(wèn)題.

(3) 單片機(jī)控制器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程.單片機(jī)控制器結(jié)構(gòu)如圖4,通過(guò)磁電法測(cè)定不同輸水速率所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,向單片機(jī)寫(xiě)入電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序,通過(guò)改變PWM波的占空比,調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,使輸水速度與滴水管流速相同.這樣就可以保持儲(chǔ)水瓶中水位高度恒定,避免水壓的變化帶來(lái)水滴流速的改變.另外,可通過(guò)數(shù)碼管顯示時(shí)間,實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能,便于數(shù)據(jù)的測(cè)量和讀取.新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化控制,優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程.

圖4 單片機(jī)控制器

(4) 消除水滴散射的不良影響.改進(jìn)后的開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的效率顯著提高,很快會(huì)出現(xiàn)高壓靜電現(xiàn)象,并引起水滴破裂和散射現(xiàn)象(圖5).這個(gè)現(xiàn)象可以用于觀察起電效果,但也會(huì)產(chǎn)生不良影響,散射的帶電水滴滴落到電性相反的金屬網(wǎng)上,電荷相互抵消,導(dǎo)致靜電電壓降低.新設(shè)計(jì)在兩個(gè)感應(yīng)圓筒的中下方設(shè)置絕緣隔離板,既保證對(duì)水滴破裂和散射現(xiàn)象的觀察,又避免了散射的不良影響.

圖5 電場(chǎng)引起的水滴變形和破裂

(5) 增強(qiáng)了裝置可視性.開(kāi)爾文滴水起電機(jī)常利用放電現(xiàn)象觀察其起電效果,可視性較差.新設(shè)計(jì)增設(shè)一個(gè)靜電擺球,當(dāng)起電機(jī)積累一定量的電荷后,小球在電場(chǎng)力作用下在兩圓筒中間擺動(dòng).兩圓筒間電場(chǎng)越強(qiáng),小球擺動(dòng)頻率越高,據(jù)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(duì)起電時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)表明,調(diào)節(jié)閥門(mén)改變水滴流速,對(duì)起電時(shí)間具有明顯影響.為研究水滴流速與起電時(shí)間的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下.

(1) 將裝置中金屬網(wǎng)和感應(yīng)圓筒的位置保持不變;斷開(kāi)交叉連接的導(dǎo)線,使裝置斷路; (2) 調(diào)節(jié)閥門(mén),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(dǎo)線,同時(shí)開(kāi)啟單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)觀察到水滴呈傘狀四散滴落時(shí),停止計(jì)時(shí),記錄時(shí)間; (4) 重復(fù)3次,取平均值,改變水滴流速重復(fù)上述操作.記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1,流速與起電時(shí)間關(guān)系如圖6.

表1 水滴流速與起電時(shí)間的關(guān)系表

圖6 水滴流速與起電時(shí)間的關(guān)系圖

由表1和圖6可知,開(kāi)始,起電時(shí)間隨著水滴流速的提高而縮短,當(dāng)流速達(dá)到125 mL/min時(shí)所用時(shí)間最短,起電效果最佳,此時(shí)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(tài);超過(guò)125 mL/min時(shí),水滴連接成線流,起電時(shí)間隨著流速的提高而延長(zhǎng),起電效果也隨之變差.經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn),需將水滴流速控制于成為線流的臨界狀態(tài),此時(shí)的起電時(shí)間最短.

分析其原因,當(dāng)水滴流速低于125 mL/min,起電時(shí)間長(zhǎng),且起電過(guò)程中可能會(huì)存在某些不可控因素導(dǎo)致電荷的流失,致使起電時(shí)間更長(zhǎng).對(duì)于流速超過(guò)125 mL/min時(shí),水滴連接成線,起電時(shí)間隨流速增高而延長(zhǎng)的情況,可從微觀的角度解釋.假設(shè)水中的正負(fù)電荷隨水滴流動(dòng)并在水流方向具有一定的速度,由于電荷受金屬圓筒產(chǎn)生的電場(chǎng)的作用力,這個(gè)力與電荷運(yùn)動(dòng)方向相反,使其具有反向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì).隨著水滴流速的提高,使電荷運(yùn)動(dòng)反向所需的力越大,電荷的運(yùn)動(dòng)方向越難改變.當(dāng)水滴連接成線流時(shí),由于水滴流速過(guò)快,而電場(chǎng)力作用時(shí)間又十分短暫,電荷無(wú)法從水流中分離,水流整體對(duì)外并不顯電性,電荷無(wú)法積累,也就無(wú)法起電.

3.2 金屬網(wǎng)的材質(zhì)對(duì)起電時(shí)間的影響

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),集電裝置金屬網(wǎng)本身的特性對(duì)起電時(shí)間有影響,因此金屬網(wǎng)材質(zhì)的選擇也十分關(guān)鍵.在固定水滴流速、金屬網(wǎng)位置的高低、形狀的大小以及網(wǎng)格的密度等條件后,分別采用不同材質(zhì)金屬網(wǎng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),測(cè)量其起電時(shí)間,數(shù)據(jù)如表2,不同材質(zhì)和起電時(shí)間關(guān)系如圖7.

表2 不同材質(zhì)金屬與起電時(shí)間的關(guān)系表

圖7 不同材質(zhì)的金屬網(wǎng)與起電時(shí)間的關(guān)系

通過(guò)表2與圖7發(fā)現(xiàn),電導(dǎo)率的大小與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的起電時(shí)間呈負(fù)相關(guān),即所選擇的金屬的電導(dǎo)率越高,起電時(shí)間越短,實(shí)驗(yàn)效果越好.在所選擇的金屬中,銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)對(duì)電荷的轉(zhuǎn)移效率尤為優(yōu)秀,而其中用紫銅網(wǎng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)所得效果最佳.

4 總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)爾文滴水起電機(jī)存在的不足之處進(jìn)行了一系列改進(jìn),例如用金屬網(wǎng)(其中效果最優(yōu)的為紫銅網(wǎng))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(shí)解決了容積的限制;利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的控制和計(jì)時(shí),優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程;設(shè)置絕緣隔離板,防止正負(fù)電荷相互抵消降低靜電電壓;調(diào)節(jié)水滴流速保持在125 mL/min時(shí),起電時(shí)間最短,僅需十幾秒即可起電,電壓最高可達(dá)18.7 kV.