曾育鋒,黃少端,李曉漫,吳 純,曾顯華,王承龍

(華南師范大學,廣東廣州 510006)

開爾文滴水起電器的探究與應用
——靜電除塵器以及電介質(zhì)極化模型

曾育鋒,黃少端,李曉漫,吳 純,曾顯華,王承龍

(華南師范大學,廣東廣州 510006)

基于開爾文滴水器的基本原理,通過探究放電現(xiàn)象的影響因素,從不同的方面研究相關(guān)物理機制和影響因素并進行定量分析,進一步改善裝置,達到加快電荷積累速度的效果,并做應用拓展——制作靜電除塵器和由無極分子組成的電介質(zhì)在外電場中極化的教具模型。

開爾文滴水起電器;靜電除塵器;電介質(zhì)極化模型

開爾文滴水器(Kelvin Water Drop),是英國科學家開爾文男爵于1867年所發(fā)明的一種靜電產(chǎn)生裝置。開爾文滴水器是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移積累電荷的靜電起電的裝置,能形成很強的靜電感應,電荷積累量隨時間呈指數(shù)增長,會很快建立起一萬五千伏以上的高電壓,擊穿空氣,產(chǎn)生放電現(xiàn)象。但由于受到很多影響因素的干擾,如空氣濕度,放電的效果并不理想。本文探究了開爾文滴水器傳統(tǒng)裝置的改進方法,并進一步設(shè)計靜電除塵器及電介質(zhì)極化模型的應用方案。

1 基本原理

1.1 開爾文滴水器原理

開爾文滴水器裝置示意圖如圖1所示,水滴可能偶然地把極微量的電荷帶給儲水罐,造成儲水罐帶有微量電荷。任何一個儲水罐獲得少量的不平衡電荷,都會在兩個儲水罐之間形成微弱電勢差,就足以開始對兩個儲水罐形成電容器充電過程,即電荷積累過程。由于靜電感應作用,以及裝置所形成的正反饋機制,電荷積累量隨時間呈指數(shù)增長,能很快在儲水罐之間建立起一萬五千伏以上的高電壓,在儲水罐或環(huán)之間會擊穿空氣,產(chǎn)生放電現(xiàn)象[1-4]。

圖1 開爾文滴水器裝置圖

1.2 靜電除塵原理

靜電除塵器是利用強電場使氣體電離,使得氣流中的塵粒與自由電子、負離子碰撞而結(jié)合在一起,形成粉塵荷電。在電場力的作用下,荷電粉塵向電極移動,最后粉塵將會從氣體中被分離出來,達到除塵效果[5-7]。

1.3 由無極分子組成的電介質(zhì)在外電場中極化的原理

由無極分子組成的電介質(zhì),因為每個分子都無電性,故整個電介質(zhì)不產(chǎn)生電場。當介質(zhì)處在外場源產(chǎn)生的電場中,無極分子的正電荷中心與負電荷中心分別受到相反方向的作用力,結(jié)果正負電荷中心被拉開一定的距離,形成一個電偶極子,具有一定的電矩,電矩的方向與外電場的方向相同,這就是由無極分子組成的介質(zhì)的極化[8-10]。

1.4 單片機計時原理

如圖2感應圈F上有一金屬鋁箔,當F帶電后,由于帶同種電荷,金屬箔會“飄”起來,且到達紅外傳感器的感應范圍,紅外傳感器將向單片機發(fā)出信號,數(shù)碼管顯示數(shù)值,示意圖如圖3[11-13]。

圖2 放電時間-h2高度關(guān)系圖

圖3 帶充足電荷的狀態(tài)

2 開爾文滴水器優(yōu)化探究

2.1 優(yōu)化裝置圖

傳統(tǒng)的開爾文滴水器裝置容易受到很多影響因素的干擾,放電的效果并不理想。實物裝置圖如圖4所示,裝置示意圖如圖5所示,其中h1為金屬圈上端到滴水口的高度;h2為金屬圈下端到接水瓶瓶底的高度。

圖4 實物裝置圖

圖5 放電裝置圖

2.2 探究各物理機制,優(yōu)化放電效果

放電時間間隔是衡量放電效果的重要因素。時間間隔短,即放電效果好。反之亦然。

(1)高度h1對放電效果的影響

實驗測試,放電時間與高度h1的關(guān)系圖如圖6所示。如圖可知,高度h1影響電荷的積累,h1為0時,即水滴的初始位置緊貼感應線圈口時,放電效果最優(yōu)。

圖6 放電時間-h1高度關(guān)系圖

(2)高度h2對放電效果的影響

實驗測試,放電時間與高度h2的關(guān)系圖如圖7所示。如圖可知,高度h2對放電效果影響不大。

圖7 放電時間-h2高度關(guān)系圖

(3)滴水管C、D的數(shù)量對放電效果的影響

實驗測試,放電時間與滴水管數(shù)量關(guān)系圖如圖8所示。如圖可知,滴水管數(shù)量影響放電效果,當數(shù)量達到7以上,其影響程度不大。

圖8 放電時間-滴水管數(shù)量關(guān)系圖

根據(jù)以上實驗測試,滴水器裝置的 h1為0 cm,h2為20.5 cm,滴水管出口C、D直徑為1mm,數(shù)量為7根時,放電效果最明顯。

3 拓展應用

3.1 靜電除塵裝置

靜電除塵裝置示意圖如圖9。利用廣口瓶收集煙塵,將兩引線分別與兩個感應圈相連接,實物圖如圖10所示,參照瓶和測試瓶。幾秒之后,煙塵基本除去。

圖9 靜電除塵示意圖

圖10 靜電除塵實物圖

3.2 極化模型

用木板做一個正方體框架C,左右兩側(cè)分別架上金屬板A和金屬板B,在木板懸掛的繩上懸掛兩端有石蠟的小木桿,模擬為無極分子。實物圖如圖11所示。實驗結(jié)果表明,當無極分子模型行數(shù)為2,列數(shù)為4,每列木條個數(shù)為5時,作為教具模型效果較好。

4 結(jié) 論

依據(jù)實驗探究,優(yōu)化了傳統(tǒng)的開爾文滴水器裝置,選取最優(yōu)的參數(shù),增強放電效果。利用優(yōu)化的開爾文滴水器得到強電場制作靜電除塵器,可用于靜電除塵的原理演示,甚至可以通過改進,用于除去空氣中的塵埃,具有應用前景。制作由無極分子組成的電介質(zhì)在外電場中極化的模型教具,可用于教學,幫助學生更好地理解相關(guān)的知識點。

[1] 顏君.滴水感應起電儀的實驗及其改進研究[D].

[2] 高朋,周騰蛟.開爾文滴水起電機的簡易裝置與實驗研究[J].沈陽師范大學學報:自然科學版,2008 (3):303-305.

[3] 張仁彥,鄧意麒,彭剛.開爾文滴水起電機在潮濕環(huán)境下的實驗研究[J].物理實驗,2011,31(9): 37-40.

[4] 張鑫,黃勇,黃宗波,等.“高壓放電”對空氣作用的試驗研究[J].實驗流體力學,25(1):88-91.

[5] 王偉.靜電在生活中的應用與防護[J].濰坊工程職業(yè)學院學報,2013,26(3):107-108.

[6] 王顯龍,何立波,賈明生,等.靜電除塵器的新應用及其發(fā)展方向[D].

[7] 程俊,李瑞.靜電除塵器的結(jié)構(gòu)與技術(shù)改進[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2006,16(2):271.

[8] 賈起民,鄭永令,陳暨耀.電磁學[M].北京:高等教育出版社,2001:339-341.

[9] 彭振生.電介質(zhì)的極化強度與場強成正比嗎[J].內(nèi)江師專學報,1989(2):76.

[10]任麗英,于斌.電介質(zhì)極化的研究[J].西華大學學報:自然科學版,2008,27(6):95-97.

[11]丁立軍,華亮,陳峰.基于超聲波傳感器與紅外傳感器的移動機器人感測系統(tǒng)研制[J].南通大學學報:自然科學版,2008,7(2):13-17.

[12]董小瓊.紅外傳感器的應用研究[J].科教文匯, 2006:161-162.

[13]劉月棠,王宏民.單片機計數(shù)控制器及其應用[J].黑龍江自動化技術(shù)與應用,1989(4):56-58.

[14]郭俊杰,朱洪應,蔡超敏,等.基于STM32單片機的視頻遙控小車[J].大學物理實驗,2013(4):19-21.

[15]韓雪,閻焜,袁振中,等.基于STC89C52單片機的測速計設(shè)計[J].大學物理實驗,2015(3):33-36.

The Exploration and App lication of Kelvin W ater Drop——Manufacturing Electrostatic Precipitator and the Model of Dielectric Polarization

ZENG Yu-feng,HUANG Shao-duan,LIXiao-man,WU Chun, ZENG Xian-hua,WANG Cheng-long
(South China Normal University,Guangdong Guangzhou 510006)

Based on the fundamental principle of Kelvin Water Drop,the experiment is improved after exploring the physicalmechanisms and factors in differentways,so that the charges can engender and accumulate quickly.The improved experiment is used formanufacturing electrostatic precipitator and themodel of dielectric polarization.

Kelvin water drop;electrostatic precipitator;themodel of dielectric polarization

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.007

1007-2934(2015)06-0024-04

2015-07-28