流水起電裝置實驗指導說明書 暗影行者

1、基于靜電感應原理的流水起電裝置（實驗指導說明書）太原科技大學應用科學學院大學物理實驗中心 目錄一、引言1二、實驗器材1三、實驗原理2四、實驗過程3五、實驗結(jié)果3六、注意事項4一、引言基于靜電感應原理的流水起電裝置是憑借帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的靜電起電裝置，其僅用幾個罐子和幾根電線組合的裝置，通過滴水就能獲取到數(shù)千伏特以上的靜電高壓。這個精巧設(shè)備的偉大之處在于通過巧妙設(shè)計，將自然界中微小的不平衡利用起來，形成良好的正反饋，從而產(chǎn)生了一個巨大的正負系統(tǒng)。實際上，該起電裝置是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的，它蘊含著豐富的實驗思想，現(xiàn)象新奇有趣。麥克斯韋曾說過，實驗的教育價值，往往與儀器的復雜性成反比，

2、此實驗的特點是成本低廉、材料易得、加工簡單，旨在培養(yǎng)學生動手能力和深刻理解電荷的產(chǎn)生、聚集以及感應起電的原理。二、實驗器材頂部絕緣水箱 1個銅質(zhì)導電環(huán)（桶、線圈） 2個絕緣小桶 2個帶開關(guān)的導水管 2個導線 2根萬用表 1臺 實物裝置圖： 三、實驗原理該起電裝置是根據(jù)靜電感應原理使水滴帶電起電的，它是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移和積累電荷的靜電起電裝置。 儀器上部有1個儲水裝置A，儲水裝置A下部接三通導管B，水沿導管B漏下后分成2個支路，C端和D端接有能控制水滴大小的夾子，下面再各接1個玻璃錐形管，可使水滴從尖端向下滴，E和F為2個金屬圓筒，水滴可從筒的中心通過，G和H為2個盛接滴水的鋁鍋，用導線將金屬圓

3、筒E和F與鋁鍋G和H交叉相連兩鋁鍋之間、金屬筒與水管之間要有良好的絕緣。此裝置的每一部分開始時幾乎都不帶電，由于水中有正負離子(正負電荷)的存在，下落的水流（或水滴）可能偶然地把極微量的電荷帶給金屬水桶(盆)，造成水桶帶有微量電荷，任何一個桶獲得少量的不平衡電荷，就足以開始正反饋的充電過程。 其基本原理是靜電感應靜電感應使水滴帶電，帶電水滴的下落使電荷積累，結(jié)果提高了兩鋁鍋之間的電位差，進而強化了靜電感應在這樣一個正反饋過程中，水滴不斷滴入兩鋁鍋，使它們之間的電位差不斷提高其具體過程如下： 由于空氣中帶電粒子在兩鋁鍋上附著的漲落，設(shè)某一時刻的漲落使G鋁鍋的電位高于H鋁鍋的電位，由于金屬圓筒E與

4、H相連，金屬圓筒F與G相連，使得C端尖部與D端尖部都受到靜靜電場的作用。由于靜電感應(可將水看作導體)，D端尖部的水滴帶負電，使C端尖部的水滴帶正電水滴在與尖端脫開時就分別帶上少量的靜電荷，下落的水滴攜帶電荷落人鋁鍋中，因此兩鋁鍋所帶的電荷量不斷增多，電位差不斷增大這些電荷一到鍋中就立即流向鋁鍋的外表面，連同與之相連的金屬筒的電位不斷提高，進而強化了導管B中水柱的靜電感應，使每滴水攜帶的電量更多，不斷循環(huán)這一正反饋過程，這使兩鋁鍋之間的電位差不斷提高。 假設(shè)左邊桶獲得正電荷，則與之相連的右邊導電環(huán)也有一定的正電荷。由于靜電感應作用，右手導電環(huán)上的正電荷會吸引負電荷到右邊的水流中。右邊的水滴會攜

5、帶負電荷下落滴到右邊的桶內(nèi)，使右邊桶所帶的負電荷增加積累，從而又會使左邊的導電環(huán)也帶負電，它將會吸引正電荷到左邊的水流中。當水滴落到桶內(nèi)，他們各自攜帶的正負電荷就會轉(zhuǎn)移到桶上并積累起來，這個正反饋過程將使每個桶和導電環(huán)獲得更多的電荷，形成更強的靜電感應，如此這般積少成多，循環(huán)進行，電荷分離速度逐步加快，電荷積累量隨時間呈指數(shù)增長，短時間內(nèi)便能在兩金桶之間建立起高電壓。最后，當兩個金屬水桶之間達到高電壓時，就會看到水流由于導電環(huán)的極化作用而散開，同時用萬用表測出的電壓數(shù)值不斷上升，并最終達到一動態(tài)平衡值。在理想狀況下，由于系統(tǒng)的絕緣性非常好，兩鋁鍋之間所能達到的電位差會非常高，達到數(shù)萬伏但是，在

6、實際實驗的過程中，系統(tǒng)的絕緣性不可能非常好，也就是說，電荷會因為尖端放電、溶液表面與空氣的電荷交換以及系統(tǒng)與地面之間的漏電等原因而不斷流失，則兩鋁鍋之間的電位差存在一個最大值隨著兩鋁鍋之間的電位差不斷增加，靜電感應會不斷強化，但同時電荷流失速度也不斷加快當電荷的積累與電荷的流失達到平衡時，兩鋁鍋之間的電位差也就達到最大。四、實驗過程（1） 關(guān)閉開關(guān)，往儲水裝置中加滿清水（鹽水更好，請考慮為什么）。（2） 打開開關(guān)，將水流控制到合適的流速，并使其從導電環(huán)中心流下。（3） 仔細觀察水流的形狀和萬用表中電壓的數(shù)值。五、 實驗結(jié)果俯視圖 被極化的水流側(cè)視圖 被極化后散開的水流 上升的電壓數(shù)值6、 實驗

7、結(jié)果與討論 將靜電高壓計與感應線圈連接，并利用摩擦起電機使接水筒帶上少量電荷由于我們設(shè)計的裝置有效避免了與潮濕空氣的接觸，空氣中帶電粒子很難在兩燒杯上附著形成漲落，所以需要人為加上電荷，讓燒杯兩端帶上相反電荷在實驗室環(huán)境下(溫度32，濕度34)，慢慢調(diào)節(jié)控制閥，使滴水管口處形成水滴流，大約8 min后就可觀察到水花飛濺，形成傘狀(如圖3所示)，驗電器指針偏轉(zhuǎn)至極限位置不動靜電計的指針偏轉(zhuǎn)到45。左右，兩接水筒之間電壓約為9 kV表1為不同空氣濕度下(1070)相對應的達到最大靜電壓所需時間和最大靜電壓從表中可以看出，隨著環(huán)境濕度的增大，達到最大靜電壓所需要的滴水時間增大，并且最大靜電壓減小說明

8、隨著濕度增大，漏電增強。對于傳統(tǒng)的靜電起電機，當環(huán)境濕度超過25就很難得到明顯的靜電效果，改進后實驗裝置在空氣濕度達70的環(huán)境下也能得到非常好的起電效果經(jīng)分析，我們認為這主要是由于改進后的裝置有效避免了漏電和避免了裝置與空氣之間的離子交換，表現(xiàn)在以下幾方面： 1.絕緣問題為使該起電裝置在潮濕的環(huán)境明顯起電，須確保實驗裝置絕緣良好，才能減小漏電的可能性。制作開爾文滴水起電機面臨的絕緣問題主要包括感應線圈和接水桶與地之間的漏電，感應線圈和接水桶與潮濕空氣之間的離子交換，接水桶水面與潮濕空氣的離子交換。實驗所用的感應線圈是帶著絕緣皮的電線，將電線的兩端直接伸人另一側(cè)接水桶。用燒杯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁鍋，并在

9、燒杯內(nèi)倒入食用油，這些措施有效減小了設(shè)備表面與潮濕富離子空氣的離子交換。采用了絕緣底座上放有機玻璃板和泡沫板的方法，并且容器本身就是具有良好絕緣的燒杯，這樣也大大減小了設(shè)備與地之間漏電的可能性。因而，該裝置在潮濕的環(huán)境下起電效果也很明顯。2. 尖端放電問題為了避免尖端放電，需要盡量減少毛刺和尖端。與傳統(tǒng)的設(shè)計相比，利用電線繞制感應圈，很好地避免了交叉連接線的接頭所產(chǎn)生的尖端放電。滴水后，感應圈引線的兩端伸入水中，不會因擊穿空氣而放電，唯一可能引起尖端放電的就是靜電計的尖端。3. 水滴速度的調(diào)節(jié)技巧將水滴調(diào)節(jié)到合適的狀態(tài)，會大大提高起電的速度。調(diào)節(jié)時需要注意，水滴流不可太密以至于成為線流，這樣電荷就會