开尔文滴水起电机的改进与探究

韩传燊 寇慧玲 董 琦 孟现美

(山东师范大学物理与电子科学学院,山东 济南 250358)

1867年,英国科学家开尔文发明了一种水滴发电装置.这是一个简单却迄今令人迷惑的精巧装置(物理现象),它能将重力势能直接转换成静电势能.这种装置取材简单,操作简易,容易激发学生的思考热情,在物理教学上具有很大价值;展现的物理现象及其原理,不但对学生认识自然现象具有积极作用,而且为我们提供了一个潜在的技术应用前景.[1-2]

然而,关于开尔文起电机,仍有许多不清楚和有待改进的问题.除了关于初始电荷的发生本质至今没有定论,现有起电装置还存在起电速率慢,实现静电高压比较困难,放电效果难以观察等问题.本文介绍了一个高效实用的滴水实验装置,并利用该装置研究了影响起电时间和电荷转移效率的因素.

1 传统开尔文滴水起电机及其原理

传统开尔文滴水起电机如图1所示,包含一个储水槽、两个滴水管、两个金属感应圆筒、两个金属桶和一对正反馈导线回路.水滴从滴水管口B(C)滴下,通过感应金属筒D(E),落入金属桶F(G)中,很快就会在感应圆筒E(D)上集聚起相异的电荷,而且电荷量随时间呈指数增加,短时间内可形成静电高压.

图1 传统开尔文滴水起电机示意图

然而,关于开尔文滴水起电机的机制,尤其是初始电荷的发生本质至今仍没有一个确定的解释,人们为此已提出了各种不同观点.[3-7]这些观点可分为两类,一类是离开两个滴水管口的水滴偶然性地携带微弱的相异电荷,落入金属桶后导致正反馈电路的静电感应;另一类是,由于空气的影响两个金属桶偶然地带上微量相异电荷,从而激发静电感应.令人遗憾的是,这两种观点目前还没有定论.除此之外,关于开尔文起电机是如何通过静电感应将水中的正负电荷分离这一问题,目前也存在不同观点.有学者认为,水滴上的电荷是来自水与管壁的摩擦,有学者认为是水的相对流速不同,还有学者认为是因为水中的杂质离子、氢离子和羟基离子.总之,关于开尔文感应起电机还有许多有待解决的问题,在此提出这些问题,期望引起读者的兴趣和思考.

其中的静电感应过程比较好理解.假设,金属桶G因某种“偶然性”带了微弱正电荷,则与其相连的圆筒D就带正电.由于同种电荷相互排斥,带有正电的圆筒D对滴水管B附近正电荷产生向上排斥的作用,使其被推到水流更深处.而由于异种电荷相互吸引,负电荷受向下的吸引力.因此,在静电感应作用下自B端滴落的水滴会携带过量的负电荷.电荷诱导的过程可简化为如图2所示的模型.这个正反馈过程不断地循环往复,两感应筒之间的电压随电荷的积累不断增大,进而产生静电高压并出现击穿空气放电的现象.

图2 电荷诱导过程模型

2 开尔文滴水起电机的改进

2.1 新设计

新装置结构如图3,其支架以PVC塑料管拼接而成;滴水装置是用塑料导水管引出两支路,分别连接两个由阀门和塑料锥形管组成的可调滴水管;两个不锈钢圆筒作为感应圆筒;用锡箔纸包裹泡沫球做成静电摆球,通过细线将其固定于框架中央;裁剪两大小完全相同的金属网作为集电装置,并固定在感应圆筒正下方;用PE塑料盆收集滴下的水滴;利用单片机控制抽水泵实现水的循环使用.

图3 装置改进示意图与实物图

2.2 新设计效果

新设计主要在5个方面做了改进,提高了实验效果.

(1) 提高了电荷转移效率.传统的开尔文滴水起电机通过金属桶收集电荷,当水滴滴落到金属桶中,由于水滴无法和金属桶充分接触,许多电荷滞留于水中,进而影响实验效果.改用金属网后,带电水滴滴落到金属网上与之充分接触,电荷完全转移到金属网上并直接随导线传导到感应圆筒上,提高了电荷的转移效率,起电时间随之缩短.

(2) 解决了容积限制问题.传统开尔文滴水起电机在使用过程中受金属桶容积的限制,一旦金属桶积满水,实验就会停止.由于经金属网过滤后的水滴不带电荷,新设计将传统的金属桶改为了PE塑料盆,并把与单片机相连的抽水泵置于盆中,直接泵水到储水瓶,使装置中的水得到循环利用的同时解决了容积限制问题.

(3) 单片机控制器优化实验过程.单片机控制器结构如图4,通过磁电法测定不同输水速率所对应的电机转速,向单片机写入电机转速控制程序,通过改变PWM波的占空比,调节水泵电机转速,使输水速度与滴水管流速相同.这样就可以保持储水瓶中水位高度恒定,避免水压的变化带来水滴流速的改变.另外,可通过数码管显示时间,实现计时功能,便于数据的测量和读取.新设计实现了实验过程的自动化控制,优化了实验过程.

图4 单片机控制器

(4) 消除水滴散射的不良影响.改进后的开尔文滴水起电机的效率显著提高,很快会出现高压静电现象,并引起水滴破裂和散射现象(图5).这个现象可以用于观察起电效果,但也会产生不良影响,散射的带电水滴滴落到电性相反的金属网上,电荷相互抵消,导致静电电压降低.新设计在两个感应圆筒的中下方设置绝缘隔离板,既保证对水滴破裂和散射现象的观察,又避免了散射的不良影响.

图5 电场引起的水滴变形和破裂

(5) 增强了装置可视性.开尔文滴水起电机常利用放电现象观察其起电效果,可视性较差.新设计增设一个静电摆球,当起电机积累一定量的电荷后,小球在电场力作用下在两圆筒中间摆动.两圆筒间电场越强,小球摆动频率越高,据此可判断起电效果的好坏.

3 探究影响起电效率的因素

3.1 水滴流速对起电时间的影响

实验表明,调节阀门改变水滴流速,对起电时间具有明显影响.为研究水滴流速与起电时间的关系,实验过程如下.

(1) 将装置中金属网和感应圆筒的位置保持不变;断开交叉连接的导线,使装置断路; (2) 调节阀门,控制两滴水管流速相同,先控制水滴流速为50 mL/min,并保持速度不变; (3) 连接导线,同时开启单片机开始计时,当观察到水滴呈伞状四散滴落时,停止计时,记录时间; (4) 重复3次,取平均值,改变水滴流速重复上述操作.记录实验数据如表1,流速与起电时间关系如图6.

表1 水滴流速与起电时间的关系表

图6 水滴流速与起电时间的关系图

由表1和图6可知,开始,起电时间随着水滴流速的提高而缩短,当流速达到125 mL/min时所用时间最短,起电效果最佳,此时水滴处于即将连接成线流却又是以水滴的形式滴落的状态;超过125 mL/min时,水滴连接成线流,起电时间随着流速的提高而延长,起电效果也随之变差.经研究分析发现,需将水滴流速控制于成为线流的临界状态,此时的起电时间最短.

分析其原因,当水滴流速低于125 mL/min,起电时间长,且起电过程中可能会存在某些不可控因素导致电荷的流失,致使起电时间更长.对于流速超过125 mL/min时,水滴连接成线,起电时间随流速增高而延长的情况,可从微观的角度解释.假设水中的正负电荷随水滴流动并在水流方向具有一定的速度,由于电荷受金属圆筒产生的电场的作用力,这个力与电荷运动方向相反,使其具有反向运动的趋势.随着水滴流速的提高,使电荷运动反向所需的力越大,电荷的运动方向越难改变.当水滴连接成线流时,由于水滴流速过快,而电场力作用时间又十分短暂,电荷无法从水流中分离,水流整体对外并不显电性,电荷无法积累,也就无法起电.

3.2 金属网的材质对起电时间的影响

在实验中发现,集电装置金属网本身的特性对起电时间有影响,因此金属网材质的选择也十分关键.在固定水滴流速、金属网位置的高低、形状的大小以及网格的密度等条件后,分别采用不同材质金属网进行多次实验,测量其起电时间,数据如表2,不同材质和起电时间关系如图7.

表2 不同材质金属与起电时间的关系表

图7 不同材质的金属网与起电时间的关系

通过表2与图7发现,电导率的大小与实验测得的起电时间呈负相关,即所选择的金属的电导率越高,起电时间越短,实验效果越好.在所选择的金属中,铜网和铝网对电荷的转移效率尤为优秀,而其中用紫铜网进行的实验所得效果最佳.

4 总结

本文针对传统开尔文滴水起电机存在的不足之处进行了一系列改进,例如用金属网(其中效果最优的为紫铜网)与PE塑料盆的组合装置代替金属桶,在提高起电速率的同时解决了容积的限制;利用单片机实现水泵转速的控制和计时,优化了实验过程;设置绝缘隔离板,防止正负电荷相互抵消降低静电电压;调节水滴流速保持在125 mL/min时,起电时间最短,仅需十几秒即可起电,电压最高可达18.7 kV.