开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究

张仁彦，邓意麒，彭 刚

（国防科学技术大学 理学院 物理系，湖南 长沙410073）

1 引 言

开尔文滴水起电机由英国科学家开尔文发明，仅用几个罐子和几根电线组合的装置，通过滴水就能获取到数千伏特以上的静电高压［1］．这个精巧设备的伟大之处在于通过巧妙设计，将自然界中微小的不平衡利用起来，形成良好的正反馈，从而产生了一个巨大的正负系统．实际上，开尔文滴水起电机是借助带电水滴转移和积累电荷的，它蕴含着丰富的实验思想，现象新奇有趣［2］．但是，和绝大部分静电实验一样，开尔文滴水起电机只有在凉爽、干燥的环境下，起电效果才较为明显．在我国广大南方等较为潮湿的环境下，传统开尔文滴水起电机的起电效果很不明显，甚至不能起电．本文改进了传统开尔文滴水起电机，通过增大水溶液的离子浓度，改善传统滴水起电机的表面绝缘性以及预加初始电荷等方法使其能在潮湿的环境下快速获得高压静电，实验现象十分明显．

2 开尔文滴水起电机

开尔文滴水起电机是根据静电感应原理使水滴带电而起电的，它是借助带电水滴转移和积累电荷的静电起电装置．开尔文滴水起电机的传统装置如图1所示［3］．

图1 开尔文滴水起电机示意图

仪器上部有1个储水装置A，储水装置A下部接三通导管B，水沿_导管B漏下后分成2个支路，C端和D端接有能控制水滴大小的夹子，下面再各接1个玻璃锥形管，可使水滴从尖端向下滴，E和F为2个金属圆筒，水滴可从筒的中心通过，G和H为2个盛接滴水的铝锅，用导线将金属圆筒E和F与铝锅G和H交叉相连．两铝锅之间、金属筒与水管之间要有良好的绝缘［4］．

开尔文滴水起电机的基本原理是静电感应．静电感应使水滴带电，带电水滴的下落使电荷积累，结果提高了两铝锅之间的电位差，进而强化了静电感应．在这样一个正反馈过程中，水滴不断滴入两铝锅，使它们之间的电位差不断提高．其具体过程如下：

由于空气中带电粒子在两铝锅上附着的涨落，设某一时刻的涨落使G铝锅的电位高于H铝锅的电位，由于金属圆筒E与H相连，金属圆筒F与G相连，使得C端尖部与D端尖部都受到静电场的作用．由于静电感应（可将水看作导体），D端尖部的水滴带负电，使C端尖部的水滴带正电．水滴在与尖端脱开时就分别带上少量的静电荷，下落的水滴携带电荷落入铝锅中，因此两铝锅所带的电荷量不断增多，电位差不断增大．这些电荷一到锅中就立即流向铝锅的外表面，连同与之相连的金属筒的电位不断提高，进而强化了导管B中水柱的静电感应，使每滴水携带的电量更多，不断循环这一正反馈过程，这使两铝锅之间的电位差不断提高［5］．

在理想状况下，由于系统的绝缘性非常好，两铝锅之间所能达到的电位差会非常高，达到数万伏．但是，在实际实验的过程中，系统的绝缘性不可能非常好，也就是说，电荷会因为尖端放电、溶液表面与空气的电荷交换以及系统与地面之间的漏电等原因而不断流失，则两铝锅之间的电位差存在一个最大值．随着两铝锅之间的电位差不断增加，静电感应会不断强化，但同时电荷流失速度也不断加快．当电荷的积累与电荷的流失达到平衡时，两铝锅之间的电位差也就达到最大．

3 实验装置设计

传统开尔文滴水起电机在我国南方较为潮湿的环境下的起电效果很不明显甚至不能起电，是由于在炎热、潮湿环境下，空气中携带了大量的正负离子，传统开尔文储水装置的表面完全暴露在这种富离子空气中，储水装置表面很容易与潮湿空气进行离子交换；并且带电水滴下落到储水装置这一过程中，带电水滴也很容易与富离子空气进行离子交换，从而很难观察到起电现象．因此，必须对传统装置进行改进，才能在潮湿炎热环境下观察到明显的静电效果，下面给出具体实验装置制作方法．

3．1 实验材料

细导线若干，烧杯2个，绝缘塑料筒2个，水槽1个，输液管2个，绝缘支架1个，有机玻璃板2块，泡沫板2块，食用盐若干等．

3．2 滴水装置

溶液选择：在水中加入食盐若干作为滴液．

储水装置A：可以选用有机玻璃方形槽，也可选用其他塑料储水装置．

滴水管B和滴水开关：用2个一次性输液器作为滴水管B，利用一次性输液器的控制阀作为滴水开关．将一次性输液管的一端放入储水装置A中，利用虹吸原理将储水装置A中的水吸到滴水管B中，再通过滴水开关控制水的滴落速度．

支架：实验室常用的支架稍作改装，就可以用作开尔文滴水起电机的支架．

3．3 感应线圈与盛水筒

感应线圈：用细导线绕在绝缘塑料筒上，并将两端都多留出一截，分别伸入另一侧的盛水筒的液面下．调整线圈的位置使其中心位于锥形管的下端，线圈的上沿略低于锥形管，然后将线圈固定．在感应线圈的制作中，用的是带着绝缘皮的细导线，将细导线的两端直接伸入另一侧的接水桶中．

盛水筒：直接利用大烧杯作为盛水筒，在大烧杯的底部放置金属丝，用于固定各连接线．实验前，倒入适量食用油，将金属丝淹没．

用自制的绝缘感应线圈代替传统开尔文滴水起电装置的金属圆桶，用大烧杯代替铝锅，并在烧杯内倒入食用油等措施基本避免了金属圆筒、金属铝锅以及铝锅内水表面与潮湿空气接触，这些措施有效减小了装置表面与富离子潮湿空气的离子交换，并避免了金属圆筒、铝锅等表面毛刺导致的尖端放电，从而达到了减少漏电的目的．

3．4 绝缘底座

做好本实验，底座的绝缘也很重要．在实验中，首先在绝缘支架的底座上放一有机玻璃板，再在玻璃板上放置泡沫板．实验过程中，要注意保持底座的干燥，不可使水溅到底座上．

最终的实验装置如图2所示．

图2 滴水起电机实验

4 实验结果与讨论

将静电高压计与感应线圈连接，并利用摩擦起电机使接水筒带上少量电荷．由于我们设计的装置有效避免了与潮湿空气的接触，空气中带电粒子很难在两烧杯上附着形成涨落，所以需要人为加上电荷，让烧杯两端带上相反电荷．在实验室环境下（温度32℃，湿度34%），慢慢调节控制阀，使滴水管口处形成水滴流，大约8 min后就可观察到水花飞溅，形成伞状（如图3所示），验电器指针偏转至极限位置不动．静电计的指针偏转到45°左右，两接水筒之间电压约为9 k V．表1为不同空气湿度下（10%～70%）相对应的达到最大静电压所需时间和最大静电压．从表中可以看出，随着环境湿度的增大，达到最大静电压所需要的滴水时间增大，并且最大静电压减小．说明随着湿度增大，漏电增强．对于传统的开尔文静电起电机，当环境湿度超过25%就很难得到明显的静电效果，改进后实验装置在空气湿度达70%的环境下也能得到非常好的起电效果．经分析，我们认为这主要是由于改进后的装置有效避免了漏电和避免了装置与空气之间的离子交换，表现在以下几方面：

图3 实验效果图

表1 不同湿度下最大静电压（环境温度32℃）

4．1 绝缘问题

为使开尔文滴水起电机在潮湿的环境明显起电，须确保实验装置绝缘良好，才能减小漏电的可能性［6］．制作开尔文滴水起电机面临的绝缘问题主要包括感应线圈和接水桶与地之间的漏电，感应线圈和接水桶与潮湿空气之间的离子交换，接水桶水面与潮湿空气的离子交换．实验所用的感应线圈是带着绝缘皮的电线，将电线的两端直接伸入另一侧接水桶．用烧杯代替传统的铝锅，并在烧杯内倒入食用油，这些措施有效减小了设备表面与潮湿富离子空气的离子交换．采用了绝缘底座上放有机玻璃板和泡沫板的方法，并且容器本身就是具有良好绝缘的烧杯，这样也大大减小了设备与地之间漏电的可能性．因而，该装置在潮湿的环境下起电效果也很明显．

4．2 尖端放电问题

为了避免尖端放电，需要尽量减少毛刺和尖端．与传统的设计相比，利用电线绕制感应圈，很好地避免了交叉连接线的接头所产生的尖端放电．滴水后，感应圈引线的两端伸入水中，不会因击穿空气而放电［7］，唯一可能引起尖端放电的就是静电计的尖端．

4．3 水滴速度的调节技巧

将水滴调节到合适的状态，会大大提高起电的速度［3］．调节时需要注意，水滴流不可太密以至于成为线流，这样电荷就会沿水流而中和，使实验失败；水滴流速太慢，会降低静电感应的效率，迟迟看不到效果．可以先把水滴调成线流，然后慢慢调节控制阀使之刚好成为水滴流即可．

4．4 其他因素

增加溶液的离子浓度（例如加入适量食盐等）可以提高水滴离子浓度，从而提高带电量，这样能快速获得静电高压，并且获得的静电压也更高．

5 结束语

影响开尔文滴水起电机起电效率的关键在于系统漏电与电荷积累速度之间的关系．为了让开尔文滴水起电机能在潮湿的环境下明显起电，应当尽量减少漏电的可能性．通过使用绝缘线圈代替金属圆筒、大烧杯代替铝锅、烧杯内倒入适量食用油以及在溶液中加入少量食盐等措施，改进后的滴水起电机能够适用南方潮湿、高温的环境，并能迅速得到高压静电，实验效果非常明显．

［1］ 盛正阳，胡朱宁．开展科技活动的好实验——滴水起电［J］．物理教师，1998，19（3）：18－19．

［2］ 李洪泽，梁灏，高仪．Kelvin滴水起电机的初始起电的物理原理［J］．物理实验，1988，8（2）：87－90．

［3］ 路峻岭．物理演示实验教程［M］．北京：清华大学出版社，2005．

［4］ 胡米宁，盛正阳．滴水起电机的原理及其制作方法［J］．实验教学与仪器，1998，（2）：39－40．

［5］ 高朋．基于意义性原则的生活实验情境物理教学研究［J］．沈阳师范大学学报：自然科学版，2007，25（4）：534－537．

［6］ 张伟．中学物理实验教学研究与演示教具设计［M］．呼和浩特：内蒙古人民出版社，2001．

［7］ 吴家宽．开尔文滴水感应起电机制作与技巧［J］．物理教师，2002，23（2）：28．

［8］ 刘炳升．中学物理教学与自制教具［M］．上海：上海教育出版社，2000．

［9］ 朱向阳，崔缨子．感应起电机起电原理的实验探究及其解释［J］．物理实验，2009，29（8）：22－27．

［10］ 朱向阳．有趣的“电风”驱动实验［J］．物理实验，2009，29（5）：28－29．