制作简易开尔文滴水器并探究影响其放电效果的因素.docVIP

第十五届广东省物理实验设计大赛 参赛作品设计方案 作品名称：制作简易开尔文滴水器并探究影响其放电效果的因素 参赛学生：黄宇豪、林葭明、陈锶婷、袁炜彬、江伟俭 【摘要】本装置的电能来自于水滴下降时释放的重力势能。大部分能量都转化(Kelvin Water Drop)，是英国科学家开尔文男爵于1867年所发明的一种静电产生装置。该装置中，储水罐有两个孔用来滴水，每个孔流出的水滴分别通过左右两个导体环中间圆孔滴入下方水桶里。左边的桶通过电线与右边的导电环相连导通，右边的桶与左边的导电环相连导通。本实验装置简单易做，成本低。 物理原理： 静电转移与积聚，形成电压差 水滴可能偶然地把极微量的电荷带给金属水桶，造成水桶带有微量电荷。任何一个桶获得少量的不平衡电荷，就足以开始充电过程。例如，假设左边桶获得一个小的正电荷，通过导线使右导电环也有一定的正电荷。由于静电感应作用，右导电环上的正电荷，会吸引负电荷到右边的水滴中。右边携带负电荷的水滴滴到右边的桶内，使右边的桶所带负电荷增加。因而通过连接的导线使左导电环带有负电荷，它将吸引正电荷到左边的水滴中，当水滴落到桶内，它们携带的正电荷会转移到金属桶上并积累。因此，由于左边导电环的吸引作用，部分正电荷被吸引到左边水流，使左边铁桶携带正电荷不断积累。负电荷被吸引到右侧水流，使右边铁桶携带负电荷不断积累。这个正反馈过程使每个桶和导电环获得更多的电荷，形成更强的静电感应，如此这般积少成多，效应倍增，电荷积累量随时间呈指数增长，会很快建立起一万五千伏以上的高电压，在两个桶或环之间会击穿空气，产生放电现象。 探究放电效果的影响因素： 1、绝缘问题 制作开尔文滴水起电机面临的绝缘问题主要包括感应圈和接水桶与地之间的绝缘。注意感应圈电线存在漏电问题;为了解决接水桶与地绝缘的问题,进行试验。2、尖端放电问题 交叉连接线的接头会产生的尖端放电。还有感应圈暴露在空气中亦会有所影响。 3、感应圈的选用 金属筒易拉罐感应圈作为感应圈与易于加工和连接的电线绕制成感应圈作对比，以及线圈数的影响。并对1 匝线圈与3 匝线圈2 种情况进行了实验对比,结果表明,用3 匝的线圈时,起电的速度明显提高。由于下落的水滴与感应圈会发生静电感应,随着匝数的增多,水滴被感应的时间增加,电荷转移的能力也就大大增强。 4、水滴速度的调节 5、其他因素 经反复试验发现,冬天时的起电效果要比夏天好的多,由此可见,空气的湿度对起电效果的影响很大,因此,在演示之前需要对周围的空气进行烘干。此外,水滴下落不易控制在感应圈的中心,导致其受静电力作用发生弯曲而溅在感应圈上产生中和,但由于所用感应圈外面有一层绝缘皮,漏出的导体部分不多,因此,对实验效果的影响不大………………………………………………………摘自百度百科 实验论证： 1.开尔文滴水器制作： 1) 滴水装置 贮水罐:可将大饮料瓶去底,在瓶盖上钻两个孔,孔的直径要略小于输液管的直径。滴水管和滴水开关:将两个一次性输液器中带有控制阀的那部分输液管截取适当的长度,再将接于最上端的硬塑料锥形导管取下,接在控制阀下端的输液管中,作为滴水的尖端。 支架:在一个大饮料瓶两侧适当高度的对称位置分别钻一个孔,将控制阀上端的输液管分别插入孔中,并从瓶口伸出,再将这两个输液管分别插入贮水罐瓶盖的两孔中,将贮水罐的瓶盖与大饮料瓶口固定。再在大饮料瓶两侧对称位置分别钻上下2 个孔,此2 孔要略低于输液管伸出的位置,将2 支筷子分别穿过2 孔,控制阀可固定在筷子的两端。 2) 感应圈与盛水筒 感应圈可用家用电线绕成线圈,并将一端多留出一截,穿过大饮料瓶,分别伸入另一侧的盛水筒底。调整线圈的位置使之中心位于锥形管的下端,线圈的上沿略低于锥形管,然后将线圈固定住·盛水筒可用大饮料瓶上截取下来的下半部分,分别放于感应圈的下端。如果饮料瓶支架高度不够,可用一个截掉了上半部分的饮料瓶将其垫高。 3) 绝缘底座 裁切一长方形塑料泡沫作为底座,将上述设备放于其上。 4）效果观测装置 两个废弃易拉罐分别连接接水桶，用牵挂着钥匙圈的吸管连接两易拉罐。 2、水滴速度 将水滴调节到一个合适的状态,大大提高起电的速度。 ①水滴流不可太密以至于成为线流,这样电荷就会沿水流而中和,使实验失败; ②不要太慢,这样会降低静电感应的效率,迟迟看不到效果。 先把水滴调成线流,然后慢慢调节控制阀使之刚好成为水滴流即可。 经测试，本实验选取水滴速度为２００滴／ｍｉｎ时，实验效果较好。 3、电气的隔离状况 ①为了防止尖端放电,实验时减少了毛刺和尖端。 ②利用电线绕制感应圈,很好地避免了交叉连接线的接头所产生的尖端放电。滴水后,感应圈引线其中的一端伸入水中,不会因击穿空气而放电。 ③可