流水起電裝置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明書 暗影行者

1、基于靜電感應(yīng)原理的流水起電裝置（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明書）太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心 目錄一、引言1二、實(shí)驗(yàn)器材1三、實(shí)驗(yàn)原理2四、實(shí)驗(yàn)過程3五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果3六、注意事項(xiàng)4一、引言基于靜電感應(yīng)原理的流水起電裝置是憑借帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的靜電起電裝置，其僅用幾個(gè)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。這個(gè)精巧設(shè)備的偉大之處在于通過巧妙設(shè)計(jì)，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(gè)巨大的正負(fù)系統(tǒng)。實(shí)際上，該起電裝置是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的，它蘊(yùn)含著豐富的實(shí)驗(yàn)思想，現(xiàn)象新奇有趣。麥克斯韋曾說過，實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值，往往與儀器的復(fù)雜性成反比，

2、此實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是成本低廉、材料易得、加工簡單，旨在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和深刻理解電荷的產(chǎn)生、聚集以及感應(yīng)起電的原理。二、實(shí)驗(yàn)器材頂部絕緣水箱 1個(gè)銅質(zhì)導(dǎo)電環(huán)（桶、線圈） 2個(gè)絕緣小桶 2個(gè)帶開關(guān)的導(dǎo)水管 2個(gè)導(dǎo)線 2根萬用表 1臺(tái) 實(shí)物裝置圖： 三、實(shí)驗(yàn)原理該起電裝置是根據(jù)靜電感應(yīng)原理使水滴帶電起電的，它是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的靜電起電裝置。 儀器上部有1個(gè)儲(chǔ)水裝置A，儲(chǔ)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(gè)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(gè)玻璃錐形管，可使水滴從尖端向下滴，E和F為2個(gè)金屬圓筒，水滴可從筒的中心通過，G和H為2個(gè)盛接滴水的鋁鍋，用導(dǎo)線將金屬圓

3、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。此裝置的每一部分開始時(shí)幾乎都不帶電，由于水中有正負(fù)離子(正負(fù)電荷)的存在，下落的水流（或水滴）可能偶然地把極微量的電荷帶給金屬水桶(盆)，造成水桶帶有微量電荷，任何一個(gè)桶獲得少量的不平衡電荷，就足以開始正反饋的充電過程。 其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(qiáng)化了靜電感應(yīng)在這樣一個(gè)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(shí)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

4、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(shí)就分別帶上少量的靜電荷，下落的水滴攜帶電荷落人鋁鍋中，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(qiáng)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。 假設(shè)左邊桶獲得正電荷，則與之相連的右邊導(dǎo)電環(huán)也有一定的正電荷。由于靜電感應(yīng)作用，右手導(dǎo)電環(huán)上的正電荷會(huì)吸引負(fù)電荷到右邊的水流中。右邊的水滴會(huì)攜

5、帶負(fù)電荷下落滴到右邊的桶內(nèi)，使右邊桶所帶的負(fù)電荷增加積累，從而又會(huì)使左邊的導(dǎo)電環(huán)也帶負(fù)電，它將會(huì)吸引正電荷到左邊的水流中。當(dāng)水滴落到桶內(nèi)，他們各自攜帶的正負(fù)電荷就會(huì)轉(zhuǎn)移到桶上并積累起來，這個(gè)正反饋過程將使每個(gè)桶和導(dǎo)電環(huán)獲得更多的電荷，形成更強(qiáng)的靜電感應(yīng)，如此這般積少成多，循環(huán)進(jìn)行，電荷分離速度逐步加快，電荷積累量隨時(shí)間呈指數(shù)增長，短時(shí)間內(nèi)便能在兩金桶之間建立起高電壓。最后，當(dāng)兩個(gè)金屬水桶之間達(dá)到高電壓時(shí)，就會(huì)看到水流由于導(dǎo)電環(huán)的極化作用而散開，同時(shí)用萬用表測出的電壓數(shù)值不斷上升，并最終達(dá)到一動(dòng)態(tài)平衡值。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(huì)非常高，達(dá)到數(shù)萬伏但是，在

6、實(shí)際實(shí)驗(yàn)的過程中，系統(tǒng)的絕緣性不可能非常好，也就是說，電荷會(huì)因?yàn)榧舛朔烹姟⑷芤罕砻媾c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(gè)最大值隨著兩鋁鍋之間的電位差不斷增加，靜電感應(yīng)會(huì)不斷強(qiáng)化，但同時(shí)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(shí)，兩鋁鍋之間的電位差也就達(dá)到最大。四、實(shí)驗(yàn)過程（1） 關(guān)閉開關(guān)，往儲(chǔ)水裝置中加滿清水（鹽水更好，請(qǐng)考慮為什么）。（2） 打開開關(guān)，將水流控制到合適的流速，并使其從導(dǎo)電環(huán)中心流下。（3） 仔細(xì)觀察水流的形狀和萬用表中電壓的數(shù)值。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果俯視圖 被極化的水流側(cè)視圖 被極化后散開的水流 上升的電壓數(shù)值6、 實(shí)驗(yàn)

7、結(jié)果與討論 將靜電高壓計(jì)與感應(yīng)線圈連接，并利用摩擦起電機(jī)使接水筒帶上少量電荷由于我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)電器指針偏轉(zhuǎn)至極限位置不動(dòng)靜電計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)到45。左右，兩接水筒之間電壓約為9 kV表1為不同空氣濕度下(1070)相對(duì)應(yīng)的達(dá)到最大靜電壓所需時(shí)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(shí)間增大，并且最大靜電壓減小說明

8、隨著濕度增大，漏電增強(qiáng)。對(duì)于傳統(tǒng)的靜電起電機(jī)，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(shí)驗(yàn)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： 1.絕緣問題為使該起電裝置在潮濕的環(huán)境明顯起電，須確保實(shí)驗(yàn)裝置絕緣良好，才能減小漏電的可能性。制作開爾文滴水起電機(jī)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(shí)驗(yàn)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人另一側(cè)接水桶。用燒杯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁鍋，并在

9、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(jī)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。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(jì)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(huì)因擊穿空氣而放電，唯一可能引起尖端放電的就是靜電計(jì)的尖端。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(huì)大大提高起電的速度。調(diào)節(jié)時(shí)需要注意，水滴流不可太密以至于成為線流，這樣電荷就會(huì)