滴水起电机-探索静电感应现象

滴水起电机

Kelvin Water Drop Generator

与水电站利用水能发电不同，开尔文滴水起电机是应用静电感应原理制作的一种起电装置，它能在短时间内产生上千甚至上万伏的电压，令人称奇。

实验装置

两只铝桶、两个金属圆筒、两块绝缘板、两只注入针筒、贮水器、三通管、橡皮管、金属导线、电笔等。

起电机结构描述：B₁和B₂为注入针筒，C₁和C₂为金属圆筒，D₁和D₂为铝桶，C₁和D₂用导线相连，C₂和D₁用导线相连，如图1所示。实物装置如图2所示。

图1　滴水起电机和带电示意图

图2　滴水起电机装置

现象观察

1.滴水起电现象观察

打开橡皮管夹，贮水器的水通过三通管分为两注，分别从B₁和B₂的针筒口流出。水流经过圆筒后，变成细小的水滴，并形成向四周发散的水花。这时手拿氖管电笔，用电笔的测电端接触金属圆筒或铝桶，可以发现氖管发光，表明它们带电。根据电笔发光的位置可判断被测物体所带电荷的正负性质。

2.高压放电现象观察

在塑料板放3只验电笔中使用的氖泡，它们相互之间相隔1mm左右，氖泡用胶固定以免移动。用导线将图中的M和N端分别与铝桶D₁和D₂连接。当水滴从注水筒流出数十秒后，3只氖泡同时发光，它们之间的空气空隙也因为被高压电击穿而发出火花及响声，如图3所示。(www.xing528.com)

图3　高压放电现象观察

现象解密

1867年，英国科学家开尔文勋爵（1824—1907）发明了滴水起电机。从贮水器中流出的水经过三通管分为两注从B₁和B₂的针筒口呈水滴状持续不停快速滴出。水滴从水管流出穿过金属圆筒后滴入下方的铝桶中，金属圆筒与铝桶用导线交叉地连接起来。该起电机左右完全对称，在周围无线电波和宇宙射线的作用下（对此有不同观点，有人认为是水在玻璃管内流动而产生的冲流电流，使得水从玻璃管喷口射出的水滴流带电。请参考：李洪泽等，物理实验，Vol.8，No.2（1988）p87～90），两个铝桶都带了负电，但它们所带的电量通常不等。带负电荷较多的水桶连接另一边的金属圆筒，由于静电感应，这个金属圆筒把三通管水中的正离子吸引过来，使该边的滴水口中出现正电荷，当水滴下落时，就会把正电荷带到其正下方带负电荷较少的金属水桶中。如此继续进行下去，电荷分离速度逐步加快。一会儿便能在两个金属桶之间建立起15000V以上的高电压。

应用拓展

图4　改装后的滴水起电机

如果将滴水起电机的实验装置作如下改造：贮水器用两只彼此绝缘的塑料桶A₁和A₂代替，挂在结实的支架上。用两根橡皮管G₁和G₂代替三通管，将水从A₁和A₂中引出来，橡皮管G₁和G₂上各有一只螺丝夹子用于控制水流大小，G₁和G₂的另一端又各自插入一根尖嘴玻璃管B₁和B₂（尖嘴口内径大约为0.3~0.5mm）。C₁和C₂为两只金属圆筒，D₁和D₂为两只铝桶，它们均放在绝缘良好的塑料板上，用导线将圆筒C₁、C₂交叉与铝桶D₁、D₂连接，E₁和E₂为验电器，如图4所示。

问：经过装置改装后再次进行实验，会发生什么现象？你能设计出其他的应用吗？

思考题

1.在以上的开尔文滴水起电实验中，为什么用导线将圆筒C₁、C₂交叉与铝桶D₁、D₂连接？如果不是交叉连接，会出现什么情况？

2.在滴水起电实验中，你认为水滴直径的大小会影响起电过程的快慢吗？金属圆筒C₁和C₂的直径会影响起电过程的快慢吗？为什么？

3.滴水起电实验可以延伸出很多其他相关实验，如滴水“变压器”实验等，请利用本实验原理，设计一款滴水“变压器”。