多环开尔文滴水起电装置的设计

赵丽特，李远兴，陈毅湛，罗仁华，陈树坚，邓伟豪，苏水兴，黄承涛



多环开尔文滴水起电装置的设计

赵丽特，李远兴，陈毅湛，罗仁华，陈树坚，邓伟豪，苏水兴，黄承涛

（五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020）

为提高传统开尔文滴水起电装置的起电速率，通过增加导电环的个数，使单边导电环由单环变为2环、4环、9环，制成多环开尔文滴水起电装置，实验结果表明，改进后的多环开尔文滴水起电装置起电速率有较为明显的提高.

开尔文滴水起电装置；多环；起电速率

传统开尔文滴水起电机是英国科学家开尔文于1867年发明的一种静电产生装置，它的原理为通过静电感应和正反馈调节，能在短时间内形成的高压并击穿空气，产生放电现象[1]. 该装置具有巨大的应用潜力，可用于静电除尘、分子极化、教学演示等[2-3]. 但实验时受环境湿度等多种因素影响，传统的开尔文滴水起电装置起电效果不理想[4-5]. 本文在传统开尔文起电装置的基础上，创造性地增加导电环个数，研究装置中多环对起电速率的影响.

1 原理及亮点

开尔文装置原理如图1，由储水器A、开关B、滴水孔C和D、感应导电环E和F、接水桶G和H、放电尖端M和N及导管、导线若干组成，E与H、F与G分别相连. 由于水在导管内流动产生冲流电流[6]，使得从滴水孔C、D流出的水滴带电. 假设某一时刻经过C孔的水滴带正电荷，则电荷随水滴落入G中，使F也带有正电荷，F带电后产生的电场会吸引D中负电荷向下运动，随水滴一起滴落H中，使得E带负电，C中正电荷被吸引向下运动，与水滴一同滴入G中，同时C、D中被向上排斥的正负电荷在导管内相遇而中和，这样EH、FG构成一个正反馈感应系统，静电感应不断加强，电荷迅速积累，放电尖端M、N短时间内就会产生放电现象.

多环开尔文滴水起电装置与传统装置的起电原理基本一致，其亮点在于每个环产生的静电场会对附近的导电环产生积极影响[7]，达到增强导电环静电场的效果，从而使整个装置的正反馈调节更快、更强. 多环开尔文起电装置中的九环示意图如图2所示.

图1 开尔文滴水起电原理图

图2 九环示意图

2 多环滴水起电装置

图3 2环、4环、9环部分实物图

导电环的制作：根据田得良等[8]的研究，将铜丝紧绕在口径的PVC管上制成导电环，铜丝外绕绝缘胶带保护，铜丝通过导线、鳄鱼夹和下面的金属桶相连. 其中2环、4环、9环部分在做实验时可整体互相替换，方便进行不同环数的实验，实物图如图3所示.

接水桶的制作：将导线焊接在金属桶桶壁，将尖端和毛刺磨平，外桶壁用绝缘胶带密封. 接水桶上端口放透明薄板做成的圆柱壁，用来防止水外溅，以保持装置干燥性[9].

储水器的制作：用亚克力板、玻璃胶拼接粘合而成，呈长方体. 储水器通过水管与自来水相连，在实验过程中通过控制自来水水流大小，保持储水器液面高度（如图1）不变.

装置的出水系统：通过导管与储水箱相接，由8个开关、18个铜油嘴及导管有机结合而构成，可使每个喷嘴的出水速度可调，可在同一装置进行单环、2环、4环、9环实验.

整个装置各部分左右上下可调，方便进行不同要求、不同条件下的实验. 实物图及3D模拟图如图4、图5所示.

图4 多环开尔文滴水起电装置实物图

图5 多环开尔文滴水起电装3D图

3 实验及数据分析

实验在专用实验室的固定位置进行，实验过程中使用空调保持环境温度不变，使用抽湿机保持环境湿度60%不变. 周围无其他仪器，保持环境电磁场不变，且无空气扰动的影响. 据颜君等[10]研究，实验时，通过保持储水器液面高度不变，调节出水口分开关，将每个滴水孔的流速控制在200滴/min，控制滴水孔最低端与导电环最高端垂直距离（如图1中所示）为，使水滴穿过导电环中心后落入接水桶[11].

整个实验过程只改变环的个数（通过更换分开制作的2环、4环和9环导电环部分），更换过程中不影响其他实验参数. 实验时打开水箱下开关B后，起电过程迅速进行，表现为水滴在下落过程中由直线下落变成弧形下落，并产生水雾向四周分散，放电尖端M、N在内开始放电，内达到稳定放电状态. 待放电达到稳定状态时，开始测量数据. 数据如表1.

表1 不同环数的开尔文滴水起电装置的放电速率数据表（流速：200滴/min 温度：25℃ 湿度：60%）

4 结语

本文改进了开尔文滴水起电装置，通过在结构上创造性的增加导电环个数，制成多环开尔文滴水起电装置，经多次实验，得到2环、4环、9环装置的平均起电速率，发现增加环数能有效提高滴水装置的起电速率，这不仅优化了实验装置，而且为后续研究提供了实验基础，使开尔文滴水起电装置从实验室走向生活、走向应用的设想成为可能.

[1] 李宪武，任国珍. 滴水起电机及其在演示实验中的应用[J]. 教学仪器与实验，1987, 2(6): 20-21.

[2] 高朋，周腾蛟. 开尔文滴水起电机的简易装置与实验研究[J]. 沈阳师范大学学报（自然科学版），2008, 26(3): 303-305.

[3] 曾育锋，黄少端，李晓漫，等. 开尔文滴水起电器的探究与应用[J]. 大学物理实验，2015, 28(6): 24-27.

[4] 张仁彦，邓意麒，彭刚. 开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究[J]. 物理实验，2011, 31(9): 37-40.

[5] 丁时慧. 简易滴水起电装置的设计与制作[J]. 中学物理教学参考，2012, 41(12): 47-49.

[6] 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.

[7] 刘诚杰，刘景世. 均匀带电细圆环电场的分布[J]. 大学物理，2005, 24(8): 19-20.

[8] 田得良，蔡东阳，叶晓靖，等. Kelvin滴水发电机起电速度探究及装置改进[J]. 大学物理，2015, 34(10): 51-56.

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

[10] 颜君，刘璐，段涛，等. 滴水感应起电仪的实验及其改进研究[J]. 大学物理实验，2012, 27(3): 60-64.

[11] 任晓南. 滴水起电机简易装置的制作与研究[J]. 物理教师，2011, 32(6): 36-37.

[责任编辑：韦 韬]

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

广东省高校创新团队资助项目（2015KCXTD027）；五邑大学青年基金资助项目（2015zk13，2016zk07）；江门市基础与理论科学研究类科技计划项目〔2016〕189号；2016年大学生创新创业训练计划资助项目（201611349062）.

赵丽特（1979—），女，山西晋城人，讲师，硕士，研究方向为物理教育和功能薄膜材料.