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 濟南 250358)

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

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

1 傳統(tǒng)開爾文滴水起電機及其原理

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

圖1 傳統(tǒng)開爾文滴水起電機示意圖

然而,關(guān)于開爾文滴水起電機的機制,尤其是初始電荷的發(fā)生本質(zhì)至今仍沒有一個確定的解釋,人們?yōu)榇艘烟岢隽烁鞣N不同觀點.[3-7]這些觀點可分為兩類,一類是離開兩個滴水管口的水滴偶然性地攜帶微弱的相異電荷,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,這兩種觀點目前還沒有定論.除此之外,關(guān)于開爾文起電機是如何通過靜電感應(yīng)將水中的正負電荷分離這一問題,目前也存在不同觀點.有學(xué)者認為,水滴上的電荷是來自水與管壁的摩擦,有學(xué)者認為是水的相對流速不同,還有學(xué)者認為是因為水中的雜質(zhì)離子、氫離子和羥基離子.總之,關(guān)于開爾文感應(yīng)起電機還有許多有待解決的問題,在此提出這些問題,期望引起讀者的興趣和思考.

其中的靜電感應(yīng)過程比較好理解.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端滴落的水滴會攜帶過量的負電荷.電荷誘導(dǎo)的過程可簡化為如圖2所示的模型.這個正反饋過程不斷地循環(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)過程模型

2 開爾文滴水起電機的改進

2.1 新設(shè)計

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,分別連接兩個由閥門和塑料錐形管組成的可調(diào)滴水管;兩個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,通過細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;利用單片機控制抽水泵實現(xiàn)水的循環(huán)使用.

圖3 裝置改進示意圖與實物圖

2.2 新設(shè)計效果

新設(shè)計主要在5個方面做了改進,提高了實驗效果.

(1) 提高了電荷轉(zhuǎn)移效率.傳統(tǒng)的開爾文滴水起電機通過金屬桶收集電荷,當(dāng)水滴滴落到金屬桶中,由于水滴無法和金屬桶充分接觸,許多電荷滯留于水中,進而影響實驗效果.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,起電時間隨之縮短.

(2) 解決了容積限制問題.傳統(tǒng)開爾文滴水起電機在使用過程中受金屬桶容積的限制,一旦金屬桶積滿水,實驗就會停止.由于經(jīng)金屬網(wǎng)過濾后的水滴不帶電荷,新設(shè)計將傳統(tǒng)的金屬桶改為了PE塑料盆,并把與單片機相連的抽水泵置于盆中,直接泵水到儲水瓶,使裝置中的水得到循環(huán)利用的同時解決了容積限制問題.

(3) 單片機控制器優(yōu)化實驗過程.單片機控制器結(jié)構(gòu)如圖4,通過磁電法測定不同輸水速率所對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速,向單片機寫入電機轉(zhuǎn)速控制程序,通過改變PWM波的占空比,調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速,使輸水速度與滴水管流速相同.這樣就可以保持儲水瓶中水位高度恒定,避免水壓的變化帶來水滴流速的改變.另外,可通過數(shù)碼管顯示時間,實現(xiàn)計時功能,便于數(shù)據(jù)的測量和讀取.新設(shè)計實現(xiàn)了實驗過程的自動化控制,優(yōu)化了實驗過程.

圖4 單片機控制器

(4) 消除水滴散射的不良影響.改進后的開爾文滴水起電機的效率顯著提高,很快會出現(xiàn)高壓靜電現(xiàn)象,并引起水滴破裂和散射現(xiàn)象(圖5).這個現(xiàn)象可以用于觀察起電效果,但也會產(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)計在兩個感應(yīng)圓筒的中下方設(shè)置絕緣隔離板,既保證對水滴破裂和散射現(xiàn)象的觀察,又避免了散射的不良影響.

圖5 電場引起的水滴變形和破裂

(5) 增強了裝置可視性.開爾文滴水起電機常利用放電現(xiàn)象觀察其起電效果,可視性較差.新設(shè)計增設(shè)一個靜電擺球,當(dāng)起電機積累一定量的電荷后,小球在電場力作用下在兩圓筒中間擺動.兩圓筒間電場越強,小球擺動頻率越高,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 水滴流速對起電時間的影響

實驗表明,調(diào)節(jié)閥門改變水滴流速,對起電時間具有明顯影響.為研究水滴流速與起電時間的關(guān)系,實驗過程如下.

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

表1 水滴流速與起電時間的關(guān)系表

圖6 水滴流速與起電時間的關(guān)系圖

由表1和圖6可知,開始,起電時間隨著水滴流速的提高而縮短,當(dāng)流速達到125 mL/min時所用時間最短,起電效果最佳,此時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125 mL/min時,水滴連接成線流,起電時間隨著流速的提高而延長,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),此時的起電時間最短.

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

3.2 金屬網(wǎng)的材質(zhì)對起電時間的影響

在實驗中發(fā)現(xiàn),集電裝置金屬網(wǎng)本身的特性對起電時間有影響,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)進行多次實驗,測量其起電時間,數(shù)據(jù)如表2,不同材質(zhì)和起電時間關(guān)系如圖7.

表2 不同材質(zhì)金屬與起電時間的關(guān)系表

圖7 不同材質(zhì)的金屬網(wǎng)與起電時間的關(guān)系

通過表2與圖7發(fā)現(xiàn),電導(dǎo)率的大小與實驗測得的起電時間呈負相關(guān),即所選擇的金屬的電導(dǎo)率越高,起電時間越短,實驗效果越好.在所選擇的金屬中,銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)對電荷的轉(zhuǎn)移效率尤為優(yōu)秀,而其中用紫銅網(wǎng)進行的實驗所得效果最佳.

4 總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)開爾文滴水起電機存在的不足之處進行了一系列改進,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解決了容積的限制;利用單片機實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的控制和計時,優(yōu)化了實驗過程;設(shè)置絕緣隔離板,防止正負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,起電時間最短,僅需十幾秒即可起電,電壓最高可達18.7 kV.