開爾文水氣自激感應(yīng)起電儀的改進(jìn)

開爾文水氣自激感應(yīng)起電儀的改進(jìn)

自激滴電壓傳感器是一種承受著滴水流和玻璃管摩擦的靜電裝置。在靜電感應(yīng)的電流中積聚的電壓機(jī)越來越多，電壓機(jī)的電位差變得越來越大。僅用幾個(gè)罐子和幾根電線和滴管組合就能做成開爾文滴水感應(yīng)起電機(jī),但是缺乏量化的實(shí)驗(yàn)研究,且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往不穩(wěn)定,無法準(zhǔn)確地估計(jì)實(shí)驗(yàn)效果,同時(shí)對于感應(yīng)起電的機(jī)理缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識。為了使實(shí)驗(yàn)效果更佳,理論解釋更清晰,本文從裝置的漏電測試、電荷累積測量和材料更換等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),改進(jìn)了開爾文滴水感應(yīng)起電儀,使其能穩(wěn)定地累積電荷,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分明顯。在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、歸納、總結(jié)的基礎(chǔ)上,本文給出了滴水感應(yīng)起電原理合理的解釋。1兩鋁鍋間的靜電感應(yīng)在1861年,英國科學(xué)家Kelvin發(fā)明了一種水滴流起電機(jī)。這是一個(gè)相當(dāng)簡單而又長期使人迷惑不解的實(shí)驗(yàn)裝置。如圖1所示,儀器的上部有一儲水容器A,儲水容器下部接導(dǎo)管B1、B2,水沿導(dǎo)管分別至C端和D端接有能控制水流的卡子,下面再各接一個(gè)玻璃錐形管,可使水滴從尖端向下滴,E、F為兩個(gè)金屬圓筒,水滴可從筒的中心穿過,G、H為兩個(gè)盛接滴水的鋁鍋,用導(dǎo)線把金屬圓筒E、F與鋁鍋交叉連接。兩鋁鍋之間、金屬圓筒與水管之間要有良好的絕緣。靜電感應(yīng)使水滴帶電,帶電水滴的下落使電荷累積,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)。這樣的一個(gè)正反饋過程在水滴不斷滴入兩鋁鍋時(shí)使它們之間的電位差不斷升高,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鋁鍋的電位略高于H鋁鍋,由于E與H相連,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),將使D端尖部水滴帶負(fù)電,使C端尖部水滴帶正電。水滴在與尖端脫開時(shí)就分別帶有少量凈電荷,下落的水滴攜帶電荷落入鋁鍋中,因此兩鋁鍋所帶電荷不斷增多。這些電荷一到鋁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B1、B2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,使兩鋁鍋之間的電位差不斷增高。2暗箱系統(tǒng)負(fù)荷積累的研究通過對實(shí)驗(yàn)裝置的分析研究,我們可以將裝置進(jìn)行分拆處理,即將裝置分為三個(gè)部分。如圖2所示,上部的儲水容器為輸入系統(tǒng),中間的導(dǎo)管和金屬圓筒為暗箱系統(tǒng),下部的接水容器為輸出系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究從這三個(gè)部分分別展開,對于輸入和輸出系統(tǒng),主要進(jìn)行材料的更換和改裝;對于暗箱系統(tǒng),因?qū)嶒?yàn)裝置的起電與靜電感應(yīng)累積電荷的過程都處于暗箱系統(tǒng)中,故將對其做比較深入的研究。設(shè)E、F頂面與其相對應(yīng)的玻璃滴管管嘴之間距離為h2,其底面與G、H底面之間的距離為h1,則實(shí)驗(yàn)的可變參數(shù)為h1、h2、水槽、水槽中的水、水滴速度、玻璃管、金屬圈、金屬盆。為了使實(shí)驗(yàn)量化,我們在驗(yàn)電器玻璃前后表面對應(yīng)放上量角器,通過精確的角度來確定電荷量的大小。由于開爾文滴水起電儀的自然激發(fā)起電具有一定的偶然性,難以確定裝置初始的帶電狀態(tài)。因此,本次實(shí)驗(yàn)是利用摩擦起電機(jī)給G盆加初始電量,致使驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)3°～4°的前提下進(jìn)行電荷積累最佳效果探究的。對于初始的預(yù)加電荷量,若初始激發(fā)過小則不易進(jìn)一步激勵電荷累積,而過大則易造成裝置兩側(cè)的導(dǎo)通,電荷累積速率明顯下降。首先,對輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)進(jìn)行改裝或材料的更換研究。2.1正負(fù)離子中和性實(shí)驗(yàn)中將水槽用隔板進(jìn)行分割,形成兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域,兩側(cè)的水域處于不同的環(huán)境下,其實(shí)驗(yàn)效果比未隔開時(shí)明顯。由于實(shí)驗(yàn)用水的純度不高,為生活中的自來水,里面含有一定量自由的正負(fù)離子,帶離子的水滴易受吸引而滴落,故而一段時(shí)間后用萬用表測水槽兩側(cè)存在一定的電勢差。因空間位置影響電荷的分布,用隔板隔開水槽,可將這種初始的電荷分布差異顯著化,避免后期水流運(yùn)動而造成正負(fù)離子中和。而將自來水換成鹽水,效果相仿。2.2面質(zhì)材料的選擇將G、H換成塑料盆后,效果明顯下降。主要原因在于電荷在塑料盆表面不易傳導(dǎo),盆沒有和水連成一體。當(dāng)部分電荷在其表面運(yùn)動時(shí),又易與底面塑料板及鄰盆相連而中和。實(shí)驗(yàn)表明,在G、H兩端電壓較低時(shí),其電荷累積速率小于漏電速率,塑料板底座雖為絕緣材料,但其中含有微量自由電子(主要由熱運(yùn)動而離解出來的本征離子和雜質(zhì)粒子),少量電荷仍然可能從表面?zhèn)鲗?dǎo),造成裝置的連通,從而影響電荷的進(jìn)一步累積。因此,選擇金屬盆,并時(shí)刻保證其與塑料底座的干燥和絕緣性是必要的。然后,對暗箱系統(tǒng)進(jìn)行距離和裝置的各種因素的改進(jìn)研究。2.3頂面為z1水滴從玻璃管滴落受到其對應(yīng)金屬圈的感應(yīng)而帶相應(yīng)異種電荷,其電荷量的大小與水滴所在的電場強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)圓環(huán)半徑為a,帶電量為q,z軸上距其中心處z0點(diǎn)的電場為由此,當(dāng)圓筒面電荷密度為σ,半徑為a,高為h,場點(diǎn)在z軸上,距上頂面為z1,距下底面為z2,將其看成是由許多圓環(huán)單元組成,圓環(huán)單元厚為dz,帶電量為2πσadz,圓筒在該點(diǎn)場強(qiáng)為=h0σa(z2z)dz2ε0[a2+(z2z)2]32=σa2ε0a2+(z2h)2√2ε0a2+z22√=0hσa(z2z)dz2ε0[a2+(z2z)2]32=σa2ε0a2+(z2h)22ε0a2+z22令E對z2求一次導(dǎo)數(shù)為0,求出z2,即把滴水孔放在此位置使水滴離開滴水孔所受的場強(qiáng)最大。本裝置中圓筒外徑為50.41mm,內(nèi)徑為48.86mm,取a=49.64mm;h=110.28mm。取h1的初始值為1.76cm,多次改變數(shù)據(jù),得到h2值不同時(shí),對電荷累積效果的影響,見圖4。由數(shù)據(jù)分析可得,當(dāng)h2為1cm左右時(shí),效果最佳。2.4多次改變帳篷h值因空氣中含有大量的正負(fù)離子及水蒸氣、塵埃顆粒等,為探究其對帶點(diǎn)水滴的影響效果,在固定h2=1cm,其他條件不變的情況下,多次改變h1的值,見圖5。由數(shù)據(jù)分析得,h1=28.3cm時(shí)積累效果最佳。若h1過小,則水滴滴下后由于與盆帶同種電荷而受斥力,水滴散開并濺至四周,造成裝置彼此連通而漏電嚴(yán)重。若h1過大,則受空氣中離子中和而使水滴帶電量減小,累積效應(yīng)變慢。2.5水面呈現(xiàn)沿水流中理論上水滴速度越大則積累越快,效果越好,但水不能呈柱狀,會使電荷沿水流中和。經(jīng)測試,本實(shí)驗(yàn)選取水滴速度為200滴/min時(shí),實(shí)驗(yàn)效果較好。2.6滴的感應(yīng)作用將E、F金屬筒換成直徑相同、匝數(shù)為6匝的金屬圈,效果不佳?？梢娤嗤姾闪肯?金屬筒對水滴的感應(yīng)效應(yīng)大。主要原因在于金屬筒面積較大,在總電荷量一定時(shí),分得的電量相對較多,且在最佳位置感應(yīng)后,經(jīng)過筒內(nèi)壁的電荷對水滴也起到感應(yīng)的效果,從而使水滴帶電量變大。然而若筒壁過長,則水滴在帶電量較大時(shí)易受吸引而偏離,甚至貼至壁身,造成中和,從而影響累積的峰值。2.7玻璃管的調(diào)整:激發(fā)后起電器偏轉(zhuǎn)在人為施加初始激發(fā)下,通過對裝置的研究改進(jìn),可使電荷積累效果最佳。在該條件下,除去初始激發(fā)。在實(shí)驗(yàn)中,最初用的是長20.9cm,直徑為2.765mm,孔隙直徑為0.877mm的玻璃管,再無人為激發(fā)的前提下,13min后見驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)。換成長25cm的玻璃管,12min后無效果,加上初始激發(fā),電量竟進(jìn)一步減少。而換成粗短玻璃管,7min后起電,且累積效果最好。而后換成細(xì)彎型、短細(xì)型玻璃管與粗、細(xì)塑料管等,20min后均不見驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)。由上述實(shí)驗(yàn)可知,將水槽用隔板平分,水速約200滴/min,h2為1cm,h1約28cm,用金屬圓筒感應(yīng)、筒壁長110.28mm,金屬盆接水,時(shí)刻保持裝置的干燥,減少尖端(導(dǎo)線接口處用砂紙打磨圓滑),盡量選擇干燥的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,有利于實(shí)驗(yàn)的成功。3實(shí)驗(yàn)討論3.1玻璃管尺寸對起電量的影響物質(zhì)內(nèi)部固有的正、負(fù)電荷,乃是物體產(chǎn)生帶電過程的內(nèi)在依據(jù)。通常原子中電子、質(zhì)子數(shù)相等,物體呈電中性。一定外因作用下,物體得到或失去電子,則正、負(fù)電荷平衡被破壞而帶電。當(dāng)兩種不同材料的物體相互摩擦,由于原子核對電子的束縛能力不同,使每個(gè)物體中有一些電子脫離原子束縛,并跑到另一物體上去,不同材料的物體彼此向?qū)Ψ睫D(zhuǎn)移的電子數(shù)目不同。本實(shí)驗(yàn)中,由于玻璃管和水滴對電子的束縛能力不同,水滴在玻璃管中運(yùn)動時(shí)由于摩擦而帶電。當(dāng)管嘴較小時(shí),成球狀的水滴將尖嘴圍起,在離開玻璃管前,兩者已成為一體(見圖6左),因摩擦而帶的少量電荷彼此重新中和,這樣很難使水滴自發(fā)帶電。而將玻璃管變粗,管口變大,并使其微斜(見圖6右),則摩擦起電效果較好。適當(dāng)增加玻璃管的長度可增長電荷摩擦?xí)r間,但玻璃管不宜過長,原因在于帶電能力有限的水滴在長玻璃管中會失去電荷而電量減少。相比于塑料管,玻璃和水在電子的束縛能力上差異較大,故而后者起電效果更好。3.2外來電流速所有的實(shí)驗(yàn)中,驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)角度至多為47°,基于裝置參數(shù)的部分改變,一般驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)到25°到35°而終。主要原因有三點(diǎn):①漏電速度大于電荷積累速度;由圖7和8知,電荷量越大,漏電速度越快,當(dāng)電荷量累積到一定程度,其漏電速度大于電荷積累速度時(shí),則表現(xiàn)為電荷的不增反減。針對前后因,方案有兩個(gè)。一是加強(qiáng)環(huán)境的干燥性,增大兩接水盆的距離(裝置兩側(cè)電壓較高時(shí),會造成電荷沿裝置表面的運(yùn)動,相當(dāng)于導(dǎo)通);二是將水滴變大,可通過加大玻璃管管口而實(shí)現(xiàn)。提高水滴速率,但應(yīng)保證水滴不呈柱狀。一般200～300滴/min較合適。②水流因金屬筒的吸引而偏轉(zhuǎn),貼至筒壁,造成彼此電荷的中和?？蛇m當(dāng)增加筒的半徑,減小筒高,這樣水滴受到的吸引力變小,且偏至筒壁的難度增加。③水滴柱受到同側(cè)盆所帶的同種電荷斥力而在半空中散開,濺至四周,造成裝置的導(dǎo)通和漏電。其實(shí)主要在于h1的選擇,綜合考慮空氣因素和斥力原因?qū)λ畏e累速度與最終帶電量的影響,求得合適的h1。本裝置h1為28cm較為恰當(dāng)。4實(shí)驗(yàn)分析及量化通過拆分裝置的不同部分,采用控制變量法,多次實(shí)驗(yàn)對比,選取最佳參數(shù)使裝置的起電效果達(dá)