开尔文滴水起电机的运行原理与改进研究

费贤翔，杨子拮，王文华

开尔文滴水起电机的运行原理与改进研究

费贤翔a，杨子拮b，王文华a

(广东海洋大学 a.理学院；b.工程学院，广东 湛江 524088)

该文分析了开尔文滴水放电的原理，通过实验研究了影响放电的因素，找到了影响放电的主要因素和次要因素，并对放电装置进行了改进；再用不同浓度的NaCl溶液做放电实验，研究了溶液导电能力与放电间隔的关系，进一步验证了开尔文放电实验的原理。改进后的开尔文起电机，实验的稳定性得到了很大的提升。这一改进研究对实验设备的制作及实验的演示有重要意义。

开尔文滴水起电机；放电间隔；NaCl；线圈

1861年，英国科学家开尔文发明了一种滴水起电机。这是一个设计巧妙的实验装置，具有以下优点:1)实验装置获取容易；2)对滴水的初始状态没有要求；3)利用正反馈，能将微小的电荷量迅速放大[1-2]。但是，一个多世纪以来，人们虽然对开尔文起电机进行了研究，并对最初的起电机进行了改良，但对原理的解释一直很模糊。本文对起电机放电的各种因素进行了研究，并提出了放电关键因素与次要因素，对传统的开尔文滴水放电机进行了改进，使得放电效果非常明显，同时还研究了不同浓度的NaCl溶液对放电间隔的影响。这些改进将有利于此实验装置的进一步推广和应用。

1 实验原理

实验装置如图1所示，滴水装置E滴水，水滴与孔口或与空气摩擦将极微量的电荷带给金属桶C，使C带负电，连接在C上的感应线圈D也带负电，而D又感应落下的水滴，使进入金属桶B的水带正电，与B相连的A也带正电。随着水滴不断落下，B、C两桶内的正负电荷不断积累，当电压超过绝缘极限值时，连在B、C两桶上的电极间就会产生放电现象，该现象极具观赏性[3-4]。

图1 开尔文滴水试验装置示意图

对放电过程中的电荷产生进行分析。进入B桶的水为什么会带正电?如图2所示，水在流下来的过程中并不是连续的，在上部是连续的，而在下半部分是分离的。感应线圈D放置在分界的地方，使水滴产生极化现象，上负下正，由于重力和D上负电荷吸引的作用，水滴分离，使得水滴上的正负电荷分离，正电荷落下，负电荷通过图1中滴水装置E与另一出水口的正电荷中和，在E中有电流产生。实验中，将铝箔放入E的水中，在铝箔的表面有电解反应，铝箔上有微小气泡；这说明在E中确实有电流产生，与实际情况相符合。

2 开尔文放电装置的优化

实际实验时，经常会碰到起电慢、不放电的现象。下面将研究影响放电的因素，找出关键因素，并改进实验装置。

实验主要部分如图3所示，整体采用木头框架，由滴水装置、感应装置、接水装置和放电装置四部分构成[5-6]。为了保持实验的稳定性和一致性，本文对实验的湿度和温度都做了限制，湿度20(有说明的除外)，温度298 K，电极间的距离1.5 mm。

图3 开尔文滴水起电机实验装置

采用倒推法来研究影响放电效果的因素。首先，两个电极要放电，必须要有足够的电压，而电压的大小在电极确定的情况下和电量有关，所以就要保证有足够的电量；电量的多少取决于积累电荷的快慢，积累电荷越快，则放电速度越快。积累电荷的快慢与感应线圈和水流速度有关，所以可以对感应线圈和水流速度进行调节。其次，要想电荷积累得更快，则需要漏电尽可能少，也就是说装置的绝缘性要好。因此，所有的优化，都是基于减少漏电和增加感应两方面考虑。

2.1 滴水装置

滴水装置是一个4 L的塑料盒，绝缘性好，容量大，能储存大量的水，保证实验时间足够长。水槽底部打两个孔，插入输液管作为出水口，利用输液管上的流速调节器，可方便灵活地控制水流的速度。

2.2 线圈的改造

如图4所示，图(a)是本文的螺旋形感应装置，图(b)是传统的直桶形感应线圈。传统的感应线圈直径较大，线圈匝数少，感应效果较差；在用NaCl溶液做实验时，螺旋形线圈一般在7～12 s内开始放电，而直桶形线圈则需要14～20 s，如表1所示。螺旋形线圈起电效果好，主要原因是:1)线圈直径可以做得小点，线圈能够更靠近流水，这样在单位距离上线圈密度更大；2)线圈带电，会对滴水有吸引力，会导致滴水方向的改变，而滴水方向改变后，就可能落在线圈上，使正负电荷中和，从而影响电荷的积累，而螺旋形线圈在水平面内排列，在竖直方向上的距离很短，即使滴水方向改变了也很难作用在线圈上。

图4 感应线圈

直桶形线圈是竖直方向排列，竖直向滴落的水很容易被吸引到线圈上，不利于实验的持续；并且，为了避免水滴落到线圈上，直桶形线圈的直径一般都做得较大，由于直径大，所以在单位距离内线圈密度小。如果将直桶形线圈的匝数做多点，就增加竖直方向的距离。为增加对比效果，实验中的线圈直径和匝数相同，仅排列方向不同；实验结果如表1所示。

表1 不同形状线圈的比较

2.3 线圈的材料

线圈一般采用漆包线(直径1～1.5 mm)，本文采用电话线的内线(铜芯直径0.44 mm，包括绝缘层1.00 mm)。采用内线的好处是:1)内线比一般的漆包线更细，可以绕更多的匝数；2)内线更柔软，容易改造成合适的形状；3)内线外面有塑料绝缘层，绝缘性能比漆包线好，能更好地防止漏电。

2.4 接水装置的改造

把铝箔放入接水桶内，滴落下来的水经铝箔到盆内，铝箔接反馈线圈，这样做可以让电荷更快地导入反馈线圈内，从而加快放电速度，如图5所示。接水装置放在泡沫箱上，以加强绝缘性能。

图5 接水装置改造

2.5 电极的选择和改造

电极一般有尖形电极和球形电极两种选择[7-8]。尖形电极容易放电，但也容易漏电，很多人在做实验时都忘记了这一点。球形电极在各个方向曲率半径都相同，漏电少，并且电容也够大，可以存储更多的电荷，放电效果更好。因此，本文选择球形电极，并在球形电极表面加了一层绝缘层，以防止球形电极漏电进入空气。

2.6 线圈位置及水流的形状影响

实验中水流有圆柱状和水滴不连续两种形状。圆柱状水流在落到一定的位置，由于水滴速度不一样会形成水滴不连续的水流，如图6所示。线圈位置处在两种水流分界面靠上的位置时，放电效果最佳；如果靠近下部，或者放在圆柱水流附近，都很难产生放电效果，只能有轻微起电的现象。

图6 线圈位置和水流形状的关系

2.7 绝缘好坏对放电的影响

绝缘是放电能否成功的最重要一环[9-10]。绝缘包括装置与大地、装置与空气以及装置内部器件的绝缘。实验装置采用木头架，并且在接水桶下面用厚泡沫与大地隔离；装置内部器件与空气接触的部分用绝缘胶带包上，防止与空气接触。湿度对放电影响最为重要，如表2所示，当湿度大于50时很难产生放电现象，当湿度大于70时，不能产生放电现象，只能产生感应电荷；这主要是因为湿度太大，实验装置漏电严重，电荷积累不到放电所要求的电压。

表2 不同湿度下放电效果的比较

3 不同浓度NaCl溶液对放电时间间隔的影响

为了验证我们在原理部分的推论，实验中加入不同浓度的NaCl，通过改变自由离子浓度，观察放电间隔与NaCl溶液浓度的关系。本文所取的数据是在放电稳定后，连续放电11次的数据。实验结果如图7所示。

图7 不同浓度NaCl溶液放电时间间隔

图8 NaCl溶液浓度与放电间隔的关系

从图7中可以看到，当无NaCl时，放电间隔的波动较大，且放电间隔时间较长，随着NaCl溶液浓度的增加，放电间隔的波动逐渐变小，放电间隔时间变得越来越短[11-12]。这是因为在电荷积累期间，滴水装置E的两个出水口之间有电流。无NaCl溶液时自由离子浓度小，导电能力弱，滴水装置E中的电流不稳定，导致电荷积累速度时快时慢，放电间隔波动大，放电间隔较长。当NaCl溶液浓度增大时，由于自由离子浓度增大，溶液的导电性能得到提高，此时电荷积累速度加快，并且很稳定，所以放电间隔波动较小，放电速度也加快。当溶液浓度达到2 mol/L时，放电间隔几乎没有波动。这与本文在原理部分的分析是一致的。

取不同浓度溶液放电间隔的平均值，观察溶液浓度与放电间隔之间的关系，如图8所示，可以看到二者并不是成完全的线性关系，随着NaCl溶液浓度的增大，放电间隔虽然减小，但减小的幅度越来越少。这是因为流水积累电荷的速度有一个最大值，当自由离子达到一定浓度时，在滴水装置E中产生的电流完全满足电荷积累的需要，当再增大离子浓度时，电流将不会再增大，对电荷积累速度的影响也越来越小。

4 结束语

1)影响放电的主要因素是湿度、装置绝缘程度和线圈的位置；次要因素包括线圈的形状、溶液的导电能力、接水装置以及线圈的材质等。

2)通过对上述因素的研究，将直桶形线圈改为螺旋形线圈，通过增加溶液的导电能力，改善绝缘性能等措施，使放电更稳定可靠。

3)在一定范围内，溶液的导电能力越强，滴水装置E中的电流越大，放电间隔越小；而当E中电流足够大时，积累电荷的速度保持稳定，溶液导电能力的影响会越来越小。

改进后的开尔文起电机，实验的稳定性大大加强，对实验设备的制作及实验的演示有重要意义。

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Research on the Principle and Improvement of Kelvin Dripping-Water Charge Collector

FEI Xianxianga， YANG Zijieb， WANG Wenhuaa
(a.School of Science； b.School of engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China)

The principle of Kelvin dripping-water discharge is analyzed，and the factors that affect the discharge are studied by experiments.The main factors and secondary factors are found and the discharge device is improved.The relationship between the conductivity of the solution and the discharge interval was studied by using different concentrations of NaCl solution，and the principle of Kelvin discharge experiment was further verified.The improved Kelvin dripping-water charge collector has greatly improved the stability of the experiment.The research is important for the manufacture of laboratory equipment and the demonstration of the experiment.

Kelvin dripping-water charge collector； discharge interval； NaCl； coil

O441.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.007

2016-04-20；修改日期:2016-06-17

费贤翔(1978-)，男，硕士，讲师，主要从事微电子学方面的研究工作。