張仁彥，鄧意麒，彭 剛

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院 物理系，湖南 長沙410073）

1 引 言

開爾文滴水起電機由英國科學(xué)家開爾文發(fā)明，僅用幾個罐子和幾根電線組合的裝置，通過滴水就能獲取到數(shù)千伏特以上的靜電高壓［1］．這個精巧設(shè)備的偉大之處在于通過巧妙設(shè)計，將自然界中微小的不平衡利用起來，形成良好的正反饋，從而產(chǎn)生了一個巨大的正負(fù)系統(tǒng)．實際上，開爾文滴水起電機是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的，它蘊含著豐富的實驗思想，現(xiàn)象新奇有趣［2］．但是，和絕大部分靜電實驗一樣，開爾文滴水起電機只有在涼爽、干燥的環(huán)境下，起電效果才較為明顯．在我國廣大南方等較為潮濕的環(huán)境下，傳統(tǒng)開爾文滴水起電機的起電效果很不明顯，甚至不能起電．本文改進(jìn)了傳統(tǒng)開爾文滴水起電機，通過增大水溶液的離子濃度，改善傳統(tǒng)滴水起電機的表面絕緣性以及預(yù)加初始電荷等方法使其能在潮濕的環(huán)境下快速獲得高壓靜電，實驗現(xiàn)象十分明顯．

2 開爾文滴水起電機

開爾文滴水起電機是根據(jù)靜電感應(yīng)原理使水滴帶電而起電的，它是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的靜電起電裝置．開爾文滴水起電機的傳統(tǒng)裝置如圖1所示［3］．

圖1 開爾文滴水起電機示意圖

儀器上部有1個儲水裝置A，儲水裝置A下部接三通導(dǎo)管B，水沿_導(dǎo)管B漏下后分成2個支路，C端和D端接有能控制水滴大小的夾子，下面再各接1個玻璃錐形管，可使水滴從尖端向下滴，E和F為2個金屬圓筒，水滴可從筒的中心通過，G和H為2個盛接滴水的鋁鍋，用導(dǎo)線將金屬圓筒E和F與鋁鍋G和H交叉相連．兩鋁鍋之間、金屬筒與水管之間要有良好的絕緣［4］．

開爾文滴水起電機的基本原理是靜電感應(yīng)．靜電感應(yīng)使水滴帶電，帶電水滴的下落使電荷積累，結(jié)果提高了兩鋁鍋之間的電位差，進(jìn)而強化了靜電感應(yīng)．在這樣一個正反饋過程中，水滴不斷滴入兩鋁鍋，使它們之間的電位差不斷提高．其具體過程如下：

由于空氣中帶電粒子在兩鋁鍋上附著的漲落，設(shè)某一時刻的漲落使G鋁鍋的電位高于H鋁鍋的電位，由于金屬圓筒E與H相連，金屬圓筒F與G相連，使得C端尖部與D端尖部都受到靜電場的作用．由于靜電感應(yīng)（可將水看作導(dǎo)體），D端尖部的水滴帶負(fù)電，使C端尖部的水滴帶正電．水滴在與尖端脫開時就分別帶上少量的靜電荷，下落的水滴攜帶電荷落入鋁鍋中，因此兩鋁鍋所帶的電荷量不斷增多，電位差不斷增大．這些電荷一到鍋中就立即流向鋁鍋的外表面，連同與之相連的金屬筒的電位不斷提高，進(jìn)而強化了導(dǎo)管B中水柱的靜電感應(yīng)，使每滴水?dāng)y帶的電量更多，不斷循環(huán)這一正反饋過程，這使兩鋁鍋之間的電位差不斷提高［5］．

在理想狀況下，由于系統(tǒng)的絕緣性非常好，兩鋁鍋之間所能達(dá)到的電位差會非常高，達(dá)到數(shù)萬伏．但是，在實際實驗的過程中，系統(tǒng)的絕緣性不可能非常好，也就是說，電荷會因為尖端放電、溶液表面與空氣的電荷交換以及系統(tǒng)與地面之間的漏電等原因而不斷流失，則兩鋁鍋之間的電位差存在一個最大值．隨著兩鋁鍋之間的電位差不斷增加，靜電感應(yīng)會不斷強化，但同時電荷流失速度也不斷加快．當(dāng)電荷的積累與電荷的流失達(dá)到平衡時，兩鋁鍋之間的電位差也就達(dá)到最大．

3 實驗裝置設(shè)計

傳統(tǒng)開爾文滴水起電機在我國南方較為潮濕的環(huán)境下的起電效果很不明顯甚至不能起電，是由于在炎熱、潮濕環(huán)境下，空氣中攜帶了大量的正負(fù)離子，傳統(tǒng)開爾文儲水裝置的表面完全暴露在這種富離子空氣中，儲水裝置表面很容易與潮濕空氣進(jìn)行離子交換；并且?guī)щ娝蜗侣涞絻λb置這一過程中，帶電水滴也很容易與富離子空氣進(jìn)行離子交換，從而很難觀察到起電現(xiàn)象．因此，必須對傳統(tǒng)裝置進(jìn)行改進(jìn)，才能在潮濕炎熱環(huán)境下觀察到明顯的靜電效果，下面給出具體實驗裝置制作方法．

3．1 實驗材料

細(xì)導(dǎo)線若干，燒杯2個，絕緣塑料筒2個，水槽1個，輸液管2個，絕緣支架1個，有機玻璃板2塊，泡沫板2塊，食用鹽若干等．

3．2 滴水裝置

溶液選擇：在水中加入食鹽若干作為滴液．

儲水裝置A：可以選用有機玻璃方形槽，也可選用其他塑料儲水裝置．

滴水管B和滴水開關(guān)：用2個一次性輸液器作為滴水管B，利用一次性輸液器的控制閥作為滴水開關(guān)．將一次性輸液管的一端放入儲水裝置A中，利用虹吸原理將儲水裝置A中的水吸到滴水管B中，再通過滴水開關(guān)控制水的滴落速度．

支架：實驗室常用的支架稍作改裝，就可以用作開爾文滴水起電機的支架．

3．3 感應(yīng)線圈與盛水筒

感應(yīng)線圈：用細(xì)導(dǎo)線繞在絕緣塑料筒上，并將兩端都多留出一截，分別伸入另一側(cè)的盛水筒的液面下．調(diào)整線圈的位置使其中心位于錐形管的下端，線圈的上沿略低于錐形管，然后將線圈固定．在感應(yīng)線圈的制作中，用的是帶著絕緣皮的細(xì)導(dǎo)線，將細(xì)導(dǎo)線的兩端直接伸入另一側(cè)的接水桶中．

盛水筒：直接利用大燒杯作為盛水筒，在大燒杯的底部放置金屬絲，用于固定各連接線．實驗前，倒入適量食用油，將金屬絲淹沒．

用自制的絕緣感應(yīng)線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)開爾文滴水起電裝置的金屬圓桶，用大燒杯代替鋁鍋，并在燒杯內(nèi)倒入食用油等措施基本避免了金屬圓筒、金屬鋁鍋以及鋁鍋內(nèi)水表面與潮濕空氣接觸，這些措施有效減小了裝置表面與富離子潮濕空氣的離子交換，并避免了金屬圓筒、鋁鍋等表面毛刺導(dǎo)致的尖端放電，從而達(dá)到了減少漏電的目的．

3．4 絕緣底座

做好本實驗，底座的絕緣也很重要．在實驗中，首先在絕緣支架的底座上放一有機玻璃板，再在玻璃板上放置泡沫板．實驗過程中，要注意保持底座的干燥，不可使水濺到底座上．

最終的實驗裝置如圖2所示．

圖2 滴水起電機實驗

4 實驗結(jié)果與討論

將靜電高壓計與感應(yīng)線圈連接，并利用摩擦起電機使接水筒帶上少量電荷．由于我們設(shè)計的裝置有效避免了與潮濕空氣的接觸，空氣中帶電粒子很難在兩燒杯上附著形成漲落，所以需要人為加上電荷，讓燒杯兩端帶上相反電荷．在實驗室環(huán)境下（溫度32℃，濕度34%），慢慢調(diào)節(jié)控制閥，使滴水管口處形成水滴流，大約8 min后就可觀察到水花飛濺，形成傘狀（如圖3所示），驗電器指針偏轉(zhuǎn)至極限位置不動．靜電計的指針偏轉(zhuǎn)到45°左右，兩接水筒之間電壓約為9 k V．表1為不同空氣濕度下（10%～70%）相對應(yīng)的達(dá)到最大靜電壓所需時間和最大靜電壓．從表中可以看出，隨著環(huán)境濕度的增大，達(dá)到最大靜電壓所需要的滴水時間增大，并且最大靜電壓減?。f明隨著濕度增大，漏電增強．對于傳統(tǒng)的開爾文靜電起電機，當(dāng)環(huán)境濕度超過25%就很難得到明顯的靜電效果，改進(jìn)后實驗裝置在空氣濕度達(dá)70%的環(huán)境下也能得到非常好的起電效果．經(jīng)分析，我們認(rèn)為這主要是由于改進(jìn)后的裝置有效避免了漏電和避免了裝置與空氣之間的離子交換，表現(xiàn)在以下幾方面：

圖3 實驗效果圖

表1 不同濕度下最大靜電壓（環(huán)境溫度32℃）

4．1 絕緣問題

為使開爾文滴水起電機在潮濕的環(huán)境明顯起電，須確保實驗裝置絕緣良好，才能減小漏電的可能性［6］．制作開爾文滴水起電機面臨的絕緣問題主要包括感應(yīng)線圈和接水桶與地之間的漏電，感應(yīng)線圈和接水桶與潮濕空氣之間的離子交換，接水桶水面與潮濕空氣的離子交換．實驗所用的感應(yīng)線圈是帶著絕緣皮的電線，將電線的兩端直接伸入另一側(cè)接水桶．用燒杯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁鍋，并在燒杯內(nèi)倒入食用油，這些措施有效減小了設(shè)備表面與潮濕富離子空氣的離子交換．采用了絕緣底座上放有機玻璃板和泡沫板的方法，并且容器本身就是具有良好絕緣的燒杯，這樣也大大減小了設(shè)備與地之間漏電的可能性．因而，該裝置在潮濕的環(huán)境下起電效果也很明顯．

4．2 尖端放電問題

為了避免尖端放電，需要盡量減少毛刺和尖端．與傳統(tǒng)的設(shè)計相比，利用電線繞制感應(yīng)圈，很好地避免了交叉連接線的接頭所產(chǎn)生的尖端放電．滴水后，感應(yīng)圈引線的兩端伸入水中，不會因擊穿空氣而放電［7］，唯一可能引起尖端放電的就是靜電計的尖端．

4．3 水滴速度的調(diào)節(jié)技巧

將水滴調(diào)節(jié)到合適的狀態(tài)，會大大提高起電的速度［3］．調(diào)節(jié)時需要注意，水滴流不可太密以至于成為線流，這樣電荷就會沿水流而中和，使實驗失??；水滴流速太慢，會降低靜電感應(yīng)的效率，遲遲看不到效果．可以先把水滴調(diào)成線流，然后慢慢調(diào)節(jié)控制閥使之剛好成為水滴流即可．

4．4 其他因素

增加溶液的離子濃度（例如加入適量食鹽等）可以提高水滴離子濃度，從而提高帶電量，這樣能快速獲得靜電高壓，并且獲得的靜電壓也更高．

5 結(jié)束語

影響開爾文滴水起電機起電效率的關(guān)鍵在于系統(tǒng)漏電與電荷積累速度之間的關(guān)系．為了讓開爾文滴水起電機能在潮濕的環(huán)境下明顯起電，應(yīng)當(dāng)盡量減少漏電的可能性．通過使用絕緣線圈代替金屬圓筒、大燒杯代替鋁鍋、燒杯內(nèi)倒入適量食用油以及在溶液中加入少量食鹽等措施，改進(jìn)后的滴水起電機能夠適用南方潮濕、高溫的環(huán)境，并能迅速得到高壓靜電，實驗效果非常明顯．

［1］ 盛正陽，胡朱寧．開展科技活動的好實驗——滴水起電［J］．物理教師，1998，19（3）：18－19．

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

［3］ 路峻嶺．物理演示實驗教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

［4］ 胡米寧，盛正陽．滴水起電機的原理及其制作方法［J］．實驗教學(xué)與儀器，1998，（2）：39－40．

［5］ 高朋．基于意義性原則的生活實驗情境物理教學(xué)研究［J］．沈陽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，25（4）：534－537．

［6］ 張偉．中學(xué)物理實驗教學(xué)研究與演示教具設(shè)計［M］．呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社，2001．

［7］ 吳家寬．開爾文滴水感應(yīng)起電機制作與技巧［J］．物理教師，2002，23（2）：28．

［8］ 劉炳升．中學(xué)物理教學(xué)與自制教具［M］．上海：上海教育出版社，2000．

［9］ 朱向陽，崔纓子．感應(yīng)起電機起電原理的實驗探究及其解釋［J］．物理實驗，2009，29（8）：22－27．

［10］ 朱向陽．有趣的“電風(fēng)”驅(qū)動實驗［J］．物理實驗，2009，29（5）：28－29．