趙麗特，李遠興，陳毅湛，羅仁華，陳樹堅，鄧偉豪，蘇水興，黃承濤

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多環(huán)開爾文滴水起電裝置的設(shè)計

趙麗特，李遠興，陳毅湛，羅仁華，陳樹堅，鄧偉豪，蘇水興，黃承濤

（五邑大學 應(yīng)用物理與材料學院，廣東 江門 529020）

為提高傳統(tǒng)開爾文滴水起電裝置的起電速率，通過增加導電環(huán)的個數(shù)，使單邊導電環(huán)由單環(huán)變?yōu)?環(huán)、4環(huán)、9環(huán)，制成多環(huán)開爾文滴水起電裝置，實驗結(jié)果表明，改進后的多環(huán)開爾文滴水起電裝置起電速率有較為明顯的提高.

開爾文滴水起電裝置；多環(huán)；起電速率

傳統(tǒng)開爾文滴水起電機是英國科學家開爾文于1867年發(fā)明的一種靜電產(chǎn)生裝置，它的原理為通過靜電感應(yīng)和正反饋調(diào)節(jié)，能在短時間內(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、教學演示等[2-3]. 但實驗時受環(huán)境濕度等多種因素影響，傳統(tǒng)的開爾文滴水起電裝置起電效果不理想[4-5]. 本文在傳統(tǒng)開爾文起電裝置的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地增加導電環(huán)個數(shù)，研究裝置中多環(huán)對起電速率的影響.

1 原理及亮點

開爾文裝置原理如圖1，由儲水器A、開關(guān)B、滴水孔C和D、感應(yīng)導電環(huán)E和F、接水桶G和H、放電尖端M和N及導管、導線若干組成，E與H、F與G分別相連. 由于水在導管內(nèi)流動產(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)某一時刻經(jīng)過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)生的電場會吸引D中負電荷向下運動，隨水滴一起滴落H中，使得E帶負電，C中正電荷被吸引向下運動，與水滴一同滴入G中，同時C、D中被向上排斥的正負電荷在導管內(nèi)相遇而中和，這樣EH、FG構(gòu)成一個正反饋感應(yīng)系統(tǒng)，靜電感應(yīng)不斷加強，電荷迅速積累，放電尖端M、N短時間內(nèi)就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象.

多環(huán)開爾文滴水起電裝置與傳統(tǒng)裝置的起電原理基本一致，其亮點在于每個環(huán)產(chǎn)生的靜電場會對附近的導電環(huán)產(chǎn)生積極影響[7]，達到增強導電環(huán)靜電場的效果，從而使整個裝置的正反饋調(diào)節(jié)更快、更強. 多環(huán)開爾文起電裝置中的九環(huán)示意圖如圖2所示.

圖1 開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)部分實物圖

導電環(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管上制成導電環(huán)，銅絲外繞絕緣膠帶保護，銅絲通過導線、鱷魚夾和下面的金屬桶相連. 其中2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)部分在做實驗時可整體互相替換，方便進行不同環(huán)數(shù)的實驗，實物圖如圖3所示.

接水桶的制作：將導線焊接在金屬桶桶壁，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，用來防止水外濺，以保持裝置干燥性[9].

儲水器的制作：用亞克力板、玻璃膠拼接粘合而成，呈長方體. 儲水器通過水管與自來水相連，在實驗過程中通過控制自來水水流大小，保持儲水器液面高度（如圖1）不變.

裝置的出水系統(tǒng)：通過導管與儲水箱相接，由8個開關(guān)、18個銅油嘴及導管有機結(jié)合而構(gòu)成，可使每個噴嘴的出水速度可調(diào)，可在同一裝置進行單環(huán)、2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)實驗.

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

圖4 多環(huán)開爾文滴水起電裝置實物圖

圖5 多環(huán)開爾文滴水起電裝3D圖

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

實驗在專用實驗室的固定位置進行，實驗過程中使用空調(diào)保持環(huán)境溫度不變，使用抽濕機保持環(huán)境濕度60%不變. 周圍無其他儀器，保持環(huán)境電磁場不變，且無空氣擾動的影響. 據(jù)顏君等[10]研究，實驗時，通過保持儲水器液面高度不變，調(diào)節(jié)出水口分開關(guān)，將每個滴水孔的流速控制在200滴/min，控制滴水孔最低端與導電環(huán)最高端垂直距離（如圖1中所示）為，使水滴穿過導電環(huán)中心后落入接水桶[11].

整個實驗過程只改變環(huán)的個數(shù)（通過更換分開制作的2環(huán)、4環(huán)和9環(huán)導電環(huán)部分），更換過程中不影響其他實驗參數(shù). 實驗時打開水箱下開關(guān)B后，起電過程迅速進行，表現(xiàn)為水滴在下落過程中由直線下落變成弧形下落，并產(chǎn)生水霧向四周分散，放電尖端M、N在內(nèi)開始放電，內(nèi)達到穩(wěn)定放電狀態(tài). 待放電達到穩(wěn)定狀態(tài)時，開始測量數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)如表1.

表1 不同環(huán)數(shù)的開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

本文改進了開爾文滴水起電裝置，通過在結(jié)構(gòu)上創(chuàng)造性的增加導電環(huán)個數(shù)，制成多環(huán)開爾文滴水起電裝置，經(jīng)多次實驗，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)化了實驗裝置，而且為后續(xù)研究提供了實驗基礎(chǔ)，使開爾文滴水起電裝置從實驗室走向生活、走向應(yīng)用的設(shè)想成為可能.

[1] 李憲武，任國珍. 滴水起電機及其在演示實驗中的應(yīng)用[J]. 教學儀器與實驗，1987, 2(6): 20-21.

[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, 26(3): 303-305.

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

[4] 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.

[5] 丁時慧. 簡易滴水起電裝置的設(shè)計與制作[J]. 中學物理教學參考，2012, 41(12): 47-49.

[6] 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.

[7] 劉誠杰，劉景世. 均勻帶電細圓環(huán)電場的分布[J]. 大學物理，2005, 24(8): 19-20.

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

[10] 顏君，劉璐，段濤，等. 滴水感應(yīng)起電儀的實驗及其改進研究[J]. 大學物理實驗，2012, 27(3): 60-64.

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

[責任編輯：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)新團隊資助項目（2015KCXTD027）；五邑大學青年基金資助項目（2015zk13，2016zk07）；江門市基礎(chǔ)與理論科學研究類科技計劃項目〔2016〕189號；2016年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（201611349062）.

趙麗特（1979—），女，山西晉城人，講師，碩士，研究方向為物理教育和功能薄膜材料.