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3四、實驗過程6五、實驗結果6六、注意事項8一、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 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千伏特以上的靜電高壓。 這個精巧設備的偉大之處在于通過巧妙設計，將自然界中微 小的不平衡利用起來，形成良好的正反饋，從而產生了一個 巨大的正負系統。實際上，該起電裝置是借助帶電水滴轉移 和積累電荷的，它蘊含著豐富的實驗思想，現象新奇有趣。 麥克斯韋曾說過，實驗的教育價值，往往與儀器的復

2、雜性成 反比，此實驗的特點是成本低廉、材料易得、加工簡單，旨 在培養學生動手能力和深刻理解電荷的產生、聚集以及感應 起電的原理。二、實驗器材頂部絕緣水箱1個銅質導電環（桶、線圈）2個絕緣小桶2個帶開關的導水管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靜電感應原理使水滴帶電起電的，它 是借助帶電水滴轉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

3、線將金屬圓筒 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，設某一時 刻的漲落使g鋁鍋的電

4、位高于h鋁鍋的電位，由于金屬圓筒 e與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 環這一正反饋過程，這使兩鋁鍋之間的電位差不斷提高。假設左邊桶獲得正電荷，則與之相連的右邊導電環也有 一定的正電荷。由于靜電感應作用，右手

5、導電環上的正電荷 會吸引負電荷到右邊的水流中。右邊的水滴會攜帶負電荷下 落滴到右邊的桶內，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，他們各自攜帶的正負電荷就會轉 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 獲得更多的電荷，形成更強的靜電感應，如此這般積少成多, 循環進行，電荷分離速度逐步加快，電荷積累量隨時間呈指 數增長，短時間內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 流由于導電環的極化作用而散開，同時用萬用表測出的電壓 數值不斷上升，并最終達到一動態平衡值。在理想狀況下，

6、由于系統的絕緣性非常好，兩鋁鍋之間 所能達到的電位差會非常高，達到數萬伏但是，在實際實 驗的過程中，系統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) 關閉開關，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，將水流控制到合適的流速，并使其從導電 環中心流下。(3) 仔細觀察水流的形狀和萬用表

7、中電壓的數值。五、實驗結果俯視圖被極化的水流被極化后散開的水流側視圖上升的電壓數值六、實驗結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 室環境下（溫度32°c,濕度34%）,慢慢調節控制閥，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）,驗電器指針偏轉至極限位置不動.靜 電計的指針偏轉到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（10%70%）相對

8、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.說明隨著濕度增大，漏電增強。對于傳統的靜電 起電機，當環境濕度超過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%的環境下也能得 到非常好的起電效果.經分析，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，表現在以下幾方面：表1不同濕度下最大靜電壓（環境溫度32匕）環境濕度/%預加電壓/v時間/5最大靜電壓/kv162004059.4252004309.234200470& 952200526&am

9、p; 4702005937.21. 絕緣問題為使該起電裝置在潮濕的環境明顯起電，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接水桶。用 燒杯代替傳統的鋁鍋，并在燒杯內倒入食用油，這些措施有 效減小了設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備與地之間漏電 的可能性。因而，該裝置在潮濕的環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。與傳統的設計相比，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生的尖端放電。滴水后，感應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. 水滴速度的調節技巧將水滴調節到合適的狀態，會大大提高起電的速度。調 節時需要注意，水滴流不可太密以至于成為線流，