自制简易感应起电机

于哲峰,于海宁,于德军

(1.鞍山师范学院 物理学院,辽宁 鞍山 114007;2.西北师范大学 教师教育学院,甘肃 兰州 730070)

19世纪70年代,电力作为新能源进入生产领域,导致第二次工业革命产生,人类从此进入电气时代．现今,电气影响着人类生活的方方面面,相关研究仍是科学研究的重要组成部分．

发电机作为电气的基础,在电磁学的教学和研究中扮演着不可或缺的角色．发电机原理、结构复杂,不便于初学电磁学的学生学习、理解和使用．若能自制简易的发电机,将对学生理解电磁原理、提高动手能力起到较好的促进作用.

图1是圆盘式静电感应起电机,它是通过两同轴玻璃圆板反向高速转动,相对转动金属箔片间的静电感应将初始的微小差异反复加强而使箔片间的静电荷明显积累,再通过尖端放电积累到储电罐,并产生高电压．这种感应起电机需要机械运动系统,而开尔文利用感应原理设计制作的是无运动系统的滴水感应起电机．

图1 圆盘式静电感应起电机实物图

以上两种重要的起电机都是利用正反馈手段实现“无中生电”的．正反馈是指反馈信号的方向和初始信号方向相同,从而通过增强系统的输入信号而增强输出结果的反馈方式．通常情况下正反馈的结果会使某种趋势指数无限放大,最后导致系统破坏,因此正反馈循环也被称作“恶性循环”．而有时正反馈又能创造奇迹,把初始的微小差别放大为明显差异,随着新的负反馈机制出现,明显的差异得以保留,也就是“无中生有”．静电感应起电机就是通过静电感应起电并利用正反馈机制形成净电荷迅速积累且积累的电荷成指数上升的装置[1]．当积累的电荷足够多时,漏电和尖端放电现象无法避免,形成负反馈,积累的电荷将不再增加．

研制感应起电机的核心是形成一种较强的正反馈机制,同时避免负反馈机制的影响．可分离导体类的正反馈强弱在于每滴分离的导体因感应而带的电荷量,这就要求分离点一定是在感应电场最强处,一些参考文献对此描述不详细[2],如只有水流很细且刚好成流时才会起作用[3]、使滴嘴流出细水流穿过感应环进入接水桶[4]等的描述无法使读者掌握制作和控制的关键参数,也不能保证起电机正常工作．细水流工作的原因可能是:细水流下落过程中必然会分裂成水滴,当分裂点恰好位于下文分析的在感应环上方0.7R附近时,起电效果较好．本文应用该原理设计了几种简易的静电感应起电机,供教师和学生研制静电感应起电机时借鉴与参考．

1 感应原理与关键参数

图2是静电感应起电机设计原理示意图,A为放置可分离导体(如水、导体粉等)的容器,G、H为导体分离口,B、C为感应环并分别用导线与E、D导体储存器交叉相连．初始时,由于金属内的电荷涨落、宇宙射线、电磁波感应等可能因素的影响,B、C感应环存在微小的异种静电荷．从G、H分离的导体在分离前通过与感应环的感应会带有与B、C感应环相反的异种静电荷,分离后确保不接触B、C感应环滴落至E、D导体储存器,形成电荷积累．由于B、C感应环与E、D导体储存器通过导线交叉相连,E、D导体储存器形成的电荷积累会进一步增加B、C感应环的静电荷量,进而增强B、C感应环的感应能力,使再次滴落的、分离的导体感应出更多静电荷,形成正反馈机制．这种机制使E、D导体储存器储存的异种电荷随滴数(时间)成指数形式增长,达到起电的目的．E、D导体储存器储存的异种电荷可使用验电器、验电幡、验电摆等多种验电形式进行演示,图2中的F为细线悬挂的验电摆球．

图2 静电感应起电机设计原理示意图

该起电机的起电效率关键在于每滴分离的导体感应的电荷量,为了便于控制和计算,分离的导体一定要在分离口分离．分离前导体感应的电荷与所在位置的感应电场强度成正比,分离的导体感应电荷越多,起电效率越高;单位时间分离的导体数量越多,起电效率越高．感应电场由感应环提供,环状带电体轴线上的电场强度可由式(1)表示:

(1)

其中:q为感应环的带电量,R为感应环的半径,x为轴线上的点到环所在平面的距离．令dEx/dx=0可求出场强极大值位置约为x≈0.7R．可见,影响起电效率的关键参数是分离口离感应环的距离,为0.7R．该处电场强度可由式(2)表示:

(2)

由式(2)可见,感应电场与感应环半径的平方成反比,在保证分离导体不与感应环接触的情况下,感应环的半径越小越好．积累的电荷总量和分离导体的数量正相关,在保证上述条件下,分离导体的速率越高,单位时间分离导体的数量越高,单位时间积累的电荷总量越多,发电效率越高．

2 几种简易起电机的制作

图3是自制的超简易水电分离式开尔文滴水感应起电机,该起电机的优点是特别简单,所用材料仅为两套输液管和少量裸铜线及细丝线便实现了水电分离,对来水处和去水处无特别要求．图2中的G、H导体分离口用输液管滴泡加控制阀门构成;B、C感应环用导线环绕而成,位置在滴水口下方约0.7R处,每个感应环的导线下端连接至对方输液管滴泡下部;验电幡用细丝线在绕制B、C感应环时夹于铜线中即可．演示时只需将两输液管连接于同一水瓶或水槽并控制阀门实现水滴滴落即可,稍等即可发现验电幡的细丝线张开,显示B、C感应环有净电荷产生．滴速越快,等待时间越短．该装置的缺点是由于没有储电装置,能积累的电荷量较少,不能驱动如验电摆等需要消耗静电的验电显示装置．

图3 简易水电分离式开尔文滴水感应起电机实物图

图4是自制的较经典的简易开尔文滴水感应起电机,框架由不导电的线槽制作(材料和结构以及形状可随意更改,框架的目的是提供一个绝缘的固定结构)．图2中的容器A用塑料输液瓶剪掉部分底面制成,导体为水;G、H导体分离口用输液管加控制阀门构成,以确保水从分离口滴落;B、C感应环用导线环绕薄塑料管而成,位置在滴水口正下方约0.7R处置于线槽内,薄塑料管作用是避免水滴与感应环的可能接触,裸导线沿线槽下行并编织于底座框架上以实现分别与可移动的E、D导体储存器电接触;E、D导体储存器用易拉罐剪掉上盖制成;验电摆球由铝箔做成空心小球,用细线悬于E、D之间．E、D导体储存器的易拉罐与验电摆可能接触的区间用砂纸去掉表面漆．演示时只需将容器A中倒入水并控制控制阀门实现水从G、H滴口滴落即可,稍等即可发现验电摆自发摆动,显示E、D导体储存器有异种电荷产生．滴速越快,等待时间越短．亦可用验电器接触E或D导体储存器显示静电荷的存在．

图4 经典开尔文滴水感应起电机实物图

上述两种起电机都需要解决给水和排水问题,演示操作比较复杂,且容易因水滴溅射等原因导致装置短路,影响演示效果．

图5是自制的可翻转式滴水感应起电机,克服了上述缺点．所需材料为4个同款矿泉水瓶、少量裸铜线、输液导管、细丝线及热熔胶．制作方法为:将4个瓶盖中间打孔并穿入一段输液导管形成图2中的G、H导体分离口;用一段裸铜线穿过两段输液导管后将4个瓶盖成对胶封,裸铜线的作用是实现滴落前两水瓶中水的电联通;将2个矿泉水瓶旋紧到瓶盖上后胶连,瓶颈处用裸铜线绕制图2中的B、C感应环,并将导线插入对方瓶底,另2个水瓶装填半瓶水后如法制作,绕制感应环应注意位置在滴水口下方约0.7R处;验电幡用细丝线在绕制感应环时夹于铜线中即可．完成后在4个矿泉水瓶中部用细针打出合适的小孔,以控制水滴的滴速．演示时只需将装置倒置,稍等即可发现验电幡的细丝线张开,显示B、C感应环有净电荷产生．滴速越快,等待时间越短．

图5 可翻转式滴水感应起电机实物图

由于用小孔控制换气量以控制水滴的滴速,所需小孔很小,容易被水封堵,使水滴不能按设想的情况滴落,造成演示失败．可用输液导管在对应的上、下矿泉水瓶中间部位建立联通通道,并用控制阀控制换气量,实现对滴速、分离点的控制．

以上3种简易起电机所用的可分离导体都是水,优点是易得,缺点是水滴控制较烦琐,并且用水作为可分离导体,对保证电路间的绝缘性提出了较高要求．为克服这些缺点,可选用导电沙作为可分离的导体,利用沙漏原理固定落沙速度,使整个装置不需要任何调整和控制就能正常工作,提高了装置的美观性和演示效果的稳定性.图6是沙漏式静电起电机设计示意图[5],该设计由两个特制的玻璃沙漏(起电部)集成而成:沙漏中所填落沙为导电沙;沙漏腰部比普通沙漏略长,上下落沙点距离约为腰部外径的0.7倍;沙漏内底部覆导电箔并与另一沙漏腰部外绕感应线圈(感应部)相连;两感应部间设起电显示器件;两沙漏上部间、下部间由导线(导电联通件)实现导电沙之间电联通。该起电机选用导电沙作为可分离的导体,利用沙漏原理固定落沙速度,使整个装置不需要任何调整和控制就能正常工作,提高了装置的集成度、美观性和演示效果的稳定性．演示时只需要将装置倒置即可反复演示．

图6 沙漏式静电感应起电机示意图

3 结论

研制感应起电机的核心是形成一种较强的正反馈机制,影响起电效率的关键参数是分离点位于感应环上方0.7R附近．静电起电机的负反馈机制主要有漏电和尖端放电,这就要求不相连的电路间需保证良好的绝缘性,电路中的所有器件尽量避免尖锐外形的出现．

本文列举的3款简易感应起电机具有原材料易得、制作工艺简单、关键参数明确、演示效果稳定的特点,可供教师和学生自制教具时借鉴参考．