开尔文滴水起电机的改进与应用

姜祖国 胡尊山

(江苏省沭阳高级中学,江苏 沭阳 223600)

开尔文滴水起电机的传统装置滴水速度慢、水流细等原因导致积累电荷慢,受湿度影响大,实验效果差.针对以上情况,笔者进一步探究实验,改进装置,着重解决以下问题:(1) 快速起电.做到不受尖端放电、空气潮湿等影响而快速积累大量电荷,实验时在极短时间内产生静电.(2) 拓展实验.将装置作为高压电源,完成静电飞花、火花放电、静电摆、静电风轮等各种高压静电实验.

1 实验原理

图1 起电机装置图

起电机的起电原理是感应起电,如图1所示,从同一水源流出的水经过两感应线圈落入下方的储水容器,两个感应圈与其下方的储水容器用导线进行交叉连接,形成正反馈.水中含有微弱的正负电荷,当两管道中有水流下,通过感应圈落入下方储水容器时,由于静电感应,将使感应圈A及与之相连的储水容器D带上同种电荷,同时另一感应圈B及与之相连的储水容器C将带上与A、D相反的异种电荷.当水持续流动时在两感应圈及与之相连的容器上不断积累电荷,产生高压.

2 所需的材料及工具

电木板、塑料水桶、导水管、304不锈钢感应圈2个、导线、水泵、304不锈钢金属盆2个、铝箔纸、透明亚克力管(1000×50、1000×40各2根)、304不锈钢板、黄铜片等材料.

3 装置结构

整体结构包含以下几个主要部分:框架(透明塑料管架、电胶木板底座、弯头塑料管等);供水系统(含电动水泵、水桶、塑料透明输水软管);起电系统(感应圈、反馈导线、不锈钢储水容器及支架);静电演示设备(放电器、静电风轮及其支架、静电摆球等),装置成品如图1所示.

4 制作过程

4.1 框架的制作

用电胶木板制作底座(1000×260×10),在电胶木板底面的4个角安装4个橡胶脚垫,上面两端安装两个不锈钢法兰盘用于固定透明亚克力管支架.亚克力粗管(1000×50×44×3)、细管(1000×40×32×3)各两根,细的能在粗的管内滑动,用于调节高度,用PVC转接头(50&40,上有不锈钢坚固圈)连接与紧固,上端横梁亦用亚克力管(840×40×32×2)连接.

4.2 导水管(内6外8)的连接

图2 框架主件图

在亚克力管的底端钻一个小孔,穿入软水管,管端接塑料弯头,上端从横梁上穿出,用螺母固定,作为出水口,如图2所示.

4.3 感应圈的制作

取2个304不锈钢管,钢管直径100 mm,截取120 mm长度作为感应线圈,通过亚克力管及塑料套件连在竖立的框架上,如图2所示.

4.4 紧锁套管的制作

用带锯在PVC转接头的管上锯出十字形缝,用激光切割机切割304不锈钢板条(160×6×1)两根,用钳子折弯,用螺丝锁紧,如图2所示.达到感应圈、外框支架高度均可调.

4.5 接水容器支架的制作

为了绝缘,用PVC塑料管和亚克力板材制作支架,高度600 mm.

4.6 储水容器制作

半球形304不锈钢容器,上边用美工刀背刮除棱角,之后用海绵砂纸打磨圆滑,防止尖端放电.

4.7 感应圈与外框支架之间连接杆的制作

在电脑上作图,用激光雕刻机切割厚8 mm的亚克力板材作为感应圈的固定臂,用带锯截取直径25 mm、长135 mm亚克力管作为连接杆,分别在相应位置打孔,用304不锈钢螺丝固定.

综合理论与现状分析，课题组对创新学习指导课、创新学习课堂教学模式、学生小课题研究和创新学习策略等具体实施策略在较大范围内进行了验证性实验，并不断进行论证优化。为了取得更好的效果，我们既开设了专业的创新学习课，也设置了学科渗透课，并举行了学生创新成果大赛。从实验学校和实验学生的实际出发，按照教学规律，我们设计出创新学习的课程，在初始年级实验班级中开设，数十万名学生使用，每周一节，排进课表，小学为小课，20分钟。初高中为40分钟，实验学校在重庆有450多所，在广东、黑龙江、新疆等10多个省、直辖市、自治区有近500所。

4.8 叶轮及导电支架的制作

图3

在电脑上用CDR软件作图,用激光切割机切割304不锈钢板条(100×6×1)2根,用钳子将两端分别折弯成如图3所示,并分别在折弯短的一端固定一根长8 cm的针.再设计两端为尖端的叶轮两根,用激光切割机切割完毕,在中间打孔固定支撑点,再分别将叶轮弯曲成如图3所示形状.

4.9 放电器制作

图4

在电脑上用CDR软件作图,用激光切割机切割304不锈钢板(厚1.0 mm),用老虎钳折弯成如图4所示形状.

4.10 静电摆球的制作

图5

用锡箔纸包在泡沫球上,用胶水粘好,再穿上塑料丝线和挂钩;在电脑上设计碰撞电极,用激光切割机切割304不锈钢板(厚1.0 mm),用老虎钳折弯成如图5所示形状.

4.11 组装

把各组件组装成完整起电装置,如图1所示.

5 起电速度的影响因素及研究结论

5.1 流水速度与水流粗细

水流速度直接影响起电效果,有的研究结论是:将软管接到上面的水箱里,用阀门控制滴水速度,水流不能太快也不能太慢,将水滴控制在即将形成线性水流的状态,太快形成水流易引起短路,太慢积累电荷慢,起电时间长.

经研究发现,改滴水为流水,粗且流速快的水流起电速度更快.把传统装置的水箱滴水转换为通过一个三通将抽水机从桶中抽取的水分流到两个出水管道,启动抽水机,只需几秒即发生起电现象.

进一步研究发现,水流的粗细及长度要满足一定关系才能快速起电.用抽水机抽水,增大流速,水从出水口流出,由于重力作用,下方的速度比上方的要快,通过调节出水管口与接水容器之间的距离,50 cm以上可避免短路现象.

5.2 感应圈

感应圈既可用铜导线绕制,也可以用不锈钢管做成.经实验发现:圈的直径大小要适当,不能太小也不能太大,一般以直径100 mm左右,长度120mm左右为宜,直径太小,长度太长,水花易溅到上面形成短路现象.

5.3 储水容器

储水容器的导电性能没有要求,既可用导电的不锈钢,也可用塑料容器.如果用塑料容器,与感应圈连接的反馈导线的线头要与容器里面的水相接触,最好放在容器底部.如果是不锈钢容器,只要导线与容器相连即可.

5.4 反馈导线

只有反馈导线交叉连接且做到线间的绝缘,水流经过感应圈落入储水容器后才能引起感应起电.

5.5 水的盐度

实验发现:用自来水做实验,效果明显,用盐水做,起电速度没有明显提升,因此水的盐度对本实验影响不大.

5.6 水源

用一台水泵抽水,通过三通分流到两出水管道或者在两出水管道分别用两台水泵,抽取同一水源的水,起电速度快.若用两台水泵抽取不同水源的水,也有静电产生,但实验效果没有连接一个水源的效果好.因此,进入两水管的水需接同一水源.

6 注意事项

该装置产生的电压很高,为防止触电,实验中禁止身体与设备导电部分直接接触,每次操作结束都要用放电针把静电放掉.

7 拓展实验

7.1 静电飞花与火花放电

图6

图7

如图6所示,在两感应圈上分别安装放电针,打开水泵开关,水流通过感应圈.几秒后,水流散开,水花向四周飞溅,形状犹如一束带静电的丝线排斥散开,近距离观察,甚至发现感应圈下端口的小水珠飞入感应圈上端口的情况.两放电针间出现闪亮的电弧,长度达到15 mm,伴随着啪啪的放电声.

7.2 静电摆与静电风轮

如图7所示,安装好叶轮并装在感应圈上,把锡箔纸做的小球悬挂在两感应圈中间.当水泵开关接通,水流流过感应圈,几秒钟后,水流散开,小球在两感应圈之间快速振荡起来,与感应圈碰撞发出啪啪声;同时叶轮开始转动,且越转越快.

8 创新之处

(1) 用电动水泵供水,变滴水为流水.改进后可把水箱放在地上,减少设备架设高度,降低重心,可增加支架的稳定性.(2) 增强可视性.支架、外壳等用透明亚力克材料制成,绝缘性能好,可视性高,设备可调,方便探究影响产生静电的因素.(3) 添加接水盆支架.添加接水盆支架,可有效避免接水桶间漏电.(4) 拓展应用.通过调节水流流速及水流长度,缩短起电时间,增强实验效果,使实验不受湿度、地域等因素影响.本装置作为高压电源能轻松完成多种高压静电实验.