Kelvin滴水起电机的初始起电的物理原理
开尔文滴水起电机的运行原理与改进研究
中图分类号
０ ４ ４ １ ． １
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Ａ
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滴水起电机原理
滴水起电机原理
滴水起电机是一种实现能量转换的装置，是利用水滴流动时所带动的电荷移动产生电势差，从而实现电能的转换。
该装置可以用来发电、测量液体流量等。
滴水起电机的工作原理是基于“电荷分离”的作用。
当水滴流经一个介电材料时，由于其它离子的存在，水滴表面会被带电。
而当水滴离开介电材料时，离子会被带走，而水滴表面的电荷则会停留在介电材料上。
这种现象被称为“电荷分离”。
在滴水起电机中，介电材料通常采用一些特殊的材料，如聚四氟乙烯、硅胶等。
当水滴滴落在介电材料上时，会带动介电材料中的电荷移动，从而在材料的两端产生电势差。
这个电势差可以被收集器收集起来，就可以得到电能了。
滴水起电机的输出电压和电流都比较小，因此不适合用于大规模的电力生产。
但是由于其结构简单、易于制造、使用方便等优点，可以被广泛应用于一些小型电子设备，如计时器、温度计等。
滴水起电机还可以被用来测量液体的流量。
当水滴落在介电材料上时，会带动材料中的电荷移动，从而产生电势差。
这个电势差的大小与水滴的个数和速度有关，可以用来计算液体的流量。
滴水起电机的发展历程可以追溯到19世纪初期。
当时，科学家们
已经发现了一些关于水滴和电荷之间关系的规律，但是由于当时的技术条件限制，无法实现电能的转换。
直到20世纪初期，随着材料科学和电子技术的发展，滴水起电机才得以实现。
滴水起电机是一种利用水滴流动带动电荷移动产生电势差的装置，可以用于发电、测量液体流量等。
虽然它的输出电压和电流比较小，但是由于其结构简单、易于制造、使用方便等优点，可以被广泛应用于一些小型电子设备。
简易滴水起电机的原理探索与制作.pdf
简易滴水起电机的原理探索与制作核科学技术学院杨喆PB13214046“”我希望你们思考并解释它，这是我这辈子看到的最不同凡响的东西！——Walter Lewin （MIT 电磁学公开课）正是这句话让我对视频中看到的实验产生了浓厚的兴趣，进而有了这次思考与探索。
23课题内容•一、对所观察到的实验现象进行原理探索•二、亲手再现整个实验，感受理论与实践的差异4实验描述使G和H分别于两个靠近的电极相连，慢慢调节控制阀C和D，使滴水管口处形成水滴流，不久就可观察到水花飞溅，形成伞状，最终观察到电火花的产生。
5理论研究对于实验现象原理的探索。
6原理探究总体思路一开始由于某种原因使得EH与FG带上相异电荷，然后通过装置的巧妙设计使得电荷能够持续积累，最终两者之间的电势差达到击穿电压放电。
7原理探究一、EH与FG带上相异电荷的原因a. 来自带电水滴的飞溅（猜想一）b. 空气中带电粒子的分布造成（猜想二）二、EH与FG之间的电势差不断上升的原因a. 水的极性作用（猜想一）b.水中正负离子的作用（猜想二）8原理探究总结：空气中电荷分布不断发生着变化，EH与FG的电势由于空气中带电粒子的吸附产生差异。
由于静电感应，E、F中流过的水滴流携带不同电荷，带与E、F相异电荷的水滴流入G、H后，电荷便流至G、H的金属表面，使与之相连的金属圆筒电势不断提高，进一步提高了静电感应的作用。
上述过程是一个不断加强的正反馈过程，使得EH与FG之间的电势差不断提高，达到击穿电压。
9近似的计算金属圆筒产生的场强E正比于带电量Q，忽略漏电，假设电荷的积累速率dQ/dt正比于E，则dQ/dt=kQ（k为常数），则积分可得：可见金属圆筒上的电荷将以指数增长，正反馈效应十分明显再由空气的击穿场强约为2~3kV/mm,若电极之间的距离为4mm，可知两极之间的电压可达8~12kV10实验研究实验现象的再现。
11第一种设计实验结果：失败失败原因分析：1）材料的选取与加工2）绝缘问题3）水滴的流速4）光线12第二种设计实验结果：成功在昏暗的灯光下观测，调节水流（加入了食盐提高离子数目，增强实验现象）至水滴流，一段时间后，水花呈伞状飞溅，最后金属片之间产生电火花。
滴水起电机原理(一)
滴水起电机原理(一)滴水起电机原理什么是滴水起电机？滴水起电机是指利用水滴撞击金属表面，产生电荷，从而发电的一种机器。
滴水起电机的工作原理滴水起电机的工作原理基于“压电效应”和“电致伸缩效应”，即当水滴撞击金属表面时，金属表面会因为压电效应而产生电荷分离，形成电势差；同时，水滴与金属表面之间的电荷转移会引起电势差变化，进一步产生电流。
滴水起电机的构成滴水起电机由金属板、导线、电容、电阻、电源等组成。
其中金属板作为电极，导线用于连接各个元器件，电容和电阻用于调节电压和电流，电源则提供电能。
滴水起电机的应用滴水起电机由于其简单、易制造、低成本等特点，被广泛应用于水资源监测、环境监测、水灾预警等领域。
此外，滴水起电技术还可以应用于机械振动能转化为电能的领域。
滴水起电机的未来随着科技的不断进步，滴水起电技术也得到快速发展，未来可望在新能源领域中大放异彩，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
以上为关于“滴水起电机原理”的相关介绍，希望可以对您有所帮助。
滴水起电机的优缺点优点1.简单易制造：滴水起电机的结构简单，易于制造，成本较低。
2.节能环保：滴水起电机能够将水能转化为电能，实现节能减排，具有环保意义。
3.应用广泛：滴水起电技术可以应用于各种领域，如水资源监测、环境监测、机械振动能转换等。
缺点1.输出功率低：由于滴水起电机的能量来源于水滴的撞击，因此输出功率较低，难以满足大功率应用。
2.稳定性差：滴水起电机对环境因素比较敏感，例如温度、湿度等变化会影响其输出电量的稳定性。
总结滴水起电机以其简单易制造、低成本等优点，被广泛应用于水资源监测、环境监测、机械振动能转换等领域。
大量的研究还表明，滴水起电技术在新能源领域的应用前景广阔。
虽然滴水起电机存在一些缺点，如输出功率低、稳定性差等，但随着科技的不断进步，相信这些问题也会逐渐得到解决，为滴水起电技术的发展提供更多的可能。
开尔文滴水起电机的运行原理与改进研究
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【摘要】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.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2017(015)005【总页数】4页(P27-29,41)【关键词】开尔文滴水起电机;放电间隔;NaCl;线圈【作者】费贤翔;杨子拮;王文华【作者单位】广东海洋大学,理学院,广东湛江 524088;广东海洋大学,工程学院,广东湛江 524088;广东海洋大学,理学院,广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】O441.11861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。
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]。
滴水起电机原理
滴水起电机原理
滴水起电机原理是一种利用水滴的动能来产生电能的装置。
它的工作原理是利用水滴的重力势能和动能，通过水滴的运动来驱动发电机转动，从而产生电能。
滴水起电机的主要部件包括水滴导轨、水滴收集器、发电机等。
当水滴从导轨上滴落时，它会带着一定的动能和重力势能，同时也会带着一定的电荷。
这些水滴会被收集器收集起来，然后通过导线传输到发电机中。
发电机是滴水起电机的核心部件，它将水滴的动能转化为电能。
发电机的转子和定子之间有一定的间隙，当水滴进入转子和定子之间的间隙时，它会使转子转动，从而产生电能。
这些电能可以被储存起来，或者直接用于驱动其他设备。
滴水起电机的优点是可以利用自然资源来产生电能，不需要消耗化石能源，同时也不会产生污染物。
它可以应用于一些特殊的场合，比如在偏远地区或者海上平台等地方，可以利用海水或者雨水来产生电能。
滴水起电机是一种利用水滴的动能来产生电能的装置，它的工作原理是利用水滴的重力势能和动能，通过水滴的运动来驱动发电机转动，从而产生电能。
它具有环保、节能、可再生等优点，可以应用于一些特殊的场合。
滴水起电机原理
滴水起电机原理滴水起电机原理：装置的每一部分开始时几乎都不带电，由于水中有正负离子（正负电荷），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。
假设左边桶获得正电荷，则与之相连的右边导电环也有一定的正电荷。
由于静电感应作用，右手导电环上的正电荷，会吸引负电荷到右边的水流中。
右边的水滴会携带负电荷滴落，最终滴到右边的桶内，使右边的桶所带负电荷增加积累，从而又使与之相边的左边导电环也带负电荷，它将会吸引正电荷到左边的水流中。
当水滴落到桶内，他们各自携带的正负电荷就会转移到铁桶上并积累。
因此，正电荷由于左边导电环的吸引作用被吸引到左边水流，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，循环进行，电荷分离速度逐步加快电荷积累量随时间呈指数增长，一会儿便能在两根金属桶之间建立起一万五千伏以上的高电压。
最后，当两个金属水桶之间达到高电压时，可能会看到一些效果。
电火花可能会瞬时在的两个桶或环的圆弧之间产生，从而降低每个桶上的电荷；或者如果这是种情况不容易发生，水桶将击碎向他们滴下的水滴，并可能使带同种电荷的水滴落不到下面的金属桶内，从而形成向上飞溅的水珠；或者电荷足够大时，水滴也可能被吸引到带异种电荷的导电环上发生中和，使带电量暂时下降。
这些影响都将限制装置达到电压的极限。
从能量转化或转移的角度来看，静电的能量来自于让水滴下降所释放的引力能量。
大部分能量转化为内能浪费，例如当水滴滴在水桶里的时候。
该仪器可以扩展到两个以上的水滴流。
滴水器电机原理报告
滴水起电机实验原理报告英国科学家开尔文曾设计了一架非常有趣的发电机——滴水起电机最上边是两根滴水管，管口大小使得流出的水刚好形成水滴而间隙又不过长。
水滴从水管流出来，穿过金属薄壁管后滴入下方的金属水箱。
薄壁管 与水箱用导线交叉地连接起来。
水滴滴了一会之后，一个水箱带了正电，而另一个带了负电。
该起电机 的两边是完全对称的，为什么两只水箱带了不同的电荷呢？滴水发电机是根据感应起电的原理设计的。
在周围的无线电波，宇宙射线的作用下，两个金属水箱都带了负电，但是它们所带的电量一般不等。
带负电荷较多的水箱接着另一边上角的金属薄 壁。
由于静电感应，带负电的金属薄壁管把水中的正离子召唤过来，该边的滴水管口（最上方）便出现了正电荷。
因此当水滴下落时，就会把正电荷带 到该边带负电荷较少的金属水箱中。
而相反，另一端则吸引了负电荷，这样往复进行，积少成多，循环进行，电荷分离速度逐步加快。
一会儿便能在两根金属箱之间建立起较高电压。
但是，在我们的实验过程中，我们得到的电压相当小，并且实验现象不是很明显，到底是什么导致实验现象的不明显呢？首先，空气湿度是主要影响因素。
武汉地处长江中下游，并且湖泊众多，空气湿度相当大，对本实验造成了较大的影响。
这是无法改变的实验环境，除非在相对封闭空气湿度较小的实验室进行，不然对实验的结果影响是比较大的。
除了实验环境之外，我们也可以通过改变实验的其他装置来使实验结果更加明显。
一是在纯水中加入食盐，增加溶液的离子浓度，增加导电性。
二是底座的绝缘性要做好，避免与外界有导通而流失电子，这样也会使实验现象不明显，我们可以在绝缘底座上放一块有机玻璃，再在有机玻璃上放一块塑料泡沫，实验过程中要保持底座干燥，不要让水滴在底座上。
以上是本实验的原理及改进方案，只要能够把绝缘和导电控制好，实验的现象应该会成功。
滴水感应起电仪的实验及其改进研究
滴水 自激感应起电仪是通过水滴流动与玻璃
交 叉连 接 。两铝 锅 之 间 、 属 圆筒 与 水 管 之 间要 金 有 良好 的绝 缘［ 。
管摩擦起电， 在静 电感应 出的电荷循环堆积 ， 所带
电荷量 越来 越多 ， 而产 生 越来 越 高 的 电位 差 的静
化 了静 电感 应 。这样 的一个 正反 馈过 程在 水滴不
如 图 １所示 ， 仪器 的上 部有一 储水 容器 Ａ， 储 水容 器下部 接导 管 Ｂ 、 水 沿 导 管 分 别 至 Ｃ端 Ｂ ， 和 Ｄ端 接有 能控 制水 流 的卡 子 ， 面再 各 接 一个 下 玻璃锥 形 管 ， 可使 水滴从 尖 端 向下 滴 ， 、 Ｅ Ｆ为两个 金属 圆筒 ， 滴 可 从 筒 的 中心 穿 过 ， Ｈ 为两 个 水 Ｇ、 盛接滴 水 的铝锅 ， 用导 线把 金属 圆筒 Ｅ、 Ｆ与 铝锅
但 水不 能 呈柱 状 ， 使 电荷沿 水 流 中和 。 测试 ， 会 经 本 实验 选取 水滴 速度 为 ２ ０ ／ ｉ ， 验效果 ０ 滴 ｒ ｎ时 实 ａ
较好。
２ ６ 感应 装 置 Ｅ Ｆ ． 、
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０ ４８［ （２ ）］ 。 ０以 ＋ 一 号
一
ｒ
２ｏⅡ ＋ （２ ）］ ｅ［。 一 号
流运动 而造 成正 负离 子 中和 。而将 自来水 换 成盐 水， 效果 相仿 。
２ ２ 累积 装置 Ｇ、 ． Ｈ
和金 属 圆筒 为 暗箱 系统 ， 部 的接 水 容 器 为 输 出 下 系 统 。实验 研 究从 这 三 个 部 分 分 别 展 开 ， 于 输 对
入 和输 出 系统 ， 主要进 行 材料 的更 换 和改装 ； 于 对
开尔文滴水起电机优化研究
开尔文滴水起电机优化研究袁伟丽;陈杏梅;苏艳霞;黄森;郭超明;李栋宇【摘要】开尔文滴水起电机具有丰富的物理思想而倍受物理工作者的关注.由于开尔文起电机起电效果影响因素诸多,其中湿度的影响尤为显著.如何在湿度较高环境下,提高开尔文滴水起电机的起电性能成为当前的研究热点.本文对开尔文滴水起电机的制作材料、水滴流速、感应环匝数、滴嘴到感应环距离和滴落距离等方面进行优化.改良后的开尔文滴水起电机的起电时间大幅度缩短,且在空气相对湿度达85％的环境中,起电现象也非常明显.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】5页(P57-60,65)【关键词】开尔文滴水起电机;空气湿度;起电效果【作者】袁伟丽;陈杏梅;苏艳霞;黄森;郭超明;李栋宇【作者单位】岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048【正文语种】中文【中图分类】O441.1【DOI】10.16854/ki.1000- 0712.2017.04.013开尔文滴水起电机发明至今已约150年，由于具有丰富的物理思想而受到重视.但是在国民生产或物理课堂教学中鲜有所闻，其中的原因诸多，比如产生的电量微弱、起电不稳定以及在空气相对湿度较高的环境下难以起电.所以即使开尔文滴水起电机有其他起电机无法比拟的节能环保的优点，其应用方面还是非常狭窄.因此，要发挥开尔文滴水起电机无能耗的特点，有更广阔的应用前景，其性能的优化显得特别重要[1].经过大量查阅关于开尔文滴水起电机的探究文献，大多采用简单的材料制作实验装置，如易拉罐、导线、一次性输液管、矿泉水瓶、铝盆、烧杯等；对于感应环的制作、储电装置选取、水滴速度、溶液种类等方面众说纷纭，但对空气湿度和绝缘性方面，都要求低空气相对湿度和良好的绝缘性，才有可能观察到所期待的现象.此外，由于开尔文滴水起电机具有丰富的物理思想，很多学者将其设计成教具，例如高朋、周腾蛟的《开尔文滴水的简易装置和实验研究》[2]和丁时慧的《神奇的倒置喷泉——简易滴水起电装置设计与制作》[3]等，达到非常良好的教学效果.为了使现象更加明显，不同学者有其不同的设计思想，比如有学者提出预加电荷[4]，提供一个预先电势差缩短了起电时间，现象更加明显和能在更高的湿度下起电，还有学者用水泥浇铸导线[5]和感应环减小尖端效应，使验电器偏转周期加快.但是在相对湿度较高的环境下，开尔文滴水起电机起电困难严重阻碍了其应用.本文为解决开尔文滴水起电机在南方潮湿地区起电微弱甚至不起电的问题，对其制作材料、水滴流速、感应环匝数、滴嘴到感应环距离和滴落距离等方面进行优化，克服高湿度环境下开尔文滴水起电机起电困难的问题.开尔文滴水起电机是几个罐子和几根电线组合的装置，通过滴水就能获取到数千伏特以上的静电高压.该装置利用水滴滴落过程中对电压差的正反馈作用和水中正负离子对由电偶极子产生的静电场的静电感应作用来形成电压差，通过巧妙设计将自然界中微小的不平衡利用起来形成良好的正反馈从而产生一个巨大的正负系统，开尔文滴水起电机是借助带电水滴转移积累电荷的，它蕴含着丰富的实验思想[2]，如图1所示.宇宙射线或其他影响会使一些原子发生电离，在我们生活的环境中存在微量的电荷，如图1中的示意图，假设一个负电荷随机随着B边的水滴滴落在D，与其相连接的感应环A就携带了与D相同电性的负电荷，感应环A就会由于静电感应而吸引水槽中正电荷下落到C，而这时感应环B就会带上与C相同电性的正电荷，从而又吸引水槽中的负电荷下落到D，如此反复正反馈，短时间就能积累到上万伏的电压.2.1 开尔文滴水起电机的制作装置材料：废弃大塑料瓶、一次输液管、有机玻璃板、磁铁、导线、pvc管、小铝片、干燥装置、5号PP聚丙烯塑料杯和石蜡.2.1.1 滴水开关设计双开关，“上”开关用于控制打开与关闭，“下”开关用于控制流量，使用时可以调节“下”开关至合适流量后不变，每次实验只需要全打开或全关闭“上”开关，保持每次实验的流速一致并起电效果都最好，不需每次都寻找起电效果最好的位置.2.1.2 莱顿瓶储电罐的选取非常重要，我们曾使用过金属罐、废弃饮料瓶、有机玻璃和5号PP 聚丙烯塑料瓶，5号PP聚丙烯塑料瓶起电效果最佳.如表1数据可知，莱顿瓶的储电量和效果都会好得多，所以改装塑料瓶为莱顿瓶，在塑料瓶内测均匀涂上融化的石蜡，待干再套上另一塑料瓶，这样制作一对，两个瓶用铝片连接，可为实验快速起电立下“汗马功劳”，能达到3 s～4 s就可以起电，使验电器偏转.2.1.3 中央挡板在前面的改良条件下，起电现象显著提高.水花飞溅会中和电荷，于是我们在两莱顿瓶之间设计中央挡板，防止水花飞溅而中和电荷，使电荷快速持续地积累.2.1.4 干燥装置为了使研究过程不受地理位置和天气的影响，将吹风筒改装而成干燥装置，从而控制实验环境的相对温度.图3是开尔文滴水起电机的实物图.2.2 开尔文起电机的量化及优化2.2.1 滴水流速设计“水循环”和双开关系统，对滴水流速实现精确调控.实验中为了得到最佳的起电电压，控制其他因素保持不变，研究流速对起电电压的影响.多次实验求平均得如图4所示曲线：结果表明当滴水速度为115 mL/min时效果最佳.2.2.2 感应环实验的感应环使用过钢环、易拉罐环(去上下面)和线圈(漆包线圈和导线线圈)，发现使用线圈做感应环起电效果比前三者明显要好，因为漆包线容易刮花失灵，所以本实验使用导线线圈作为感应环，基于本实验装置探究2匝、4匝、6匝、8匝、10匝、12匝和15匝线圈的起电效果，发现10圈、12圈的起电效果较好(见表2)，我们的实验装置采用10圈匝数的线圈作为导电环，感应环高2 cm.2.2.3 感应距离如图5所示，水滴从滴嘴受到感应环感应带异种电荷，其电荷量的大小与水滴所在的电场强度有关，调节滴嘴位置，使其位于场强最大处感应效果最好.如图6所示，设感应环的半径为R，带电量为q，z轴上距离其中心处z0点的电场为[7]：为了计算简单，我们把密绕线圈的感应环近似看成是一个带电均匀的圆筒面，令其面电荷密度为σ，半径为R，高为h，滴嘴与感应环上、下底面的距离分别为h1和z2.根据式(1)，即感应环在滴嘴处所产生的场强为：由此，当圆筒面电荷密度为，半径为R，感应环高为h，场点在z轴上，距上底面为h1，距下底面为z2，将其看成是由许多圆环单元组成，圆环单元厚为dz，带电量为2πσdz，圆筒在该点的场强为令E对z2求一阶导数使其为0，求出z2，即把滴嘴放在这个位置时水滴受到的场强最大，本实验R为1.2 cm，h为2 cm，计算加之实验探究相结合z2为2.25 cm效果最佳，所以h1为0.25 cm时受到场强最大.2.2.4 滴落距离滴落距离过小，水滴滴落后与莱顿瓶的同种电荷相斥，水滴四溅，造成装置积累电荷缓慢，滴落距离过大，则会受空气中离子中和而使水滴带电量减小，积累效益就会慢.经过多次实验求平均，绘制曲线如图7所示.张仁彦等[4]对开尔文滴水起电机进行了诸多方面的改良与研究，在预加电压的情况下达到8 min后水花飞溅的效果，并在70%的环境下还有较大的静电压.而本实验在无需预加电压下能在3～4 s起电，1 min内水花四溅成伞状，并且在空气相对湿度为85%的环境下仍能有5 kV左右的静电压；并且实验装置在水滴呈线流情况下也能起电.3.1 水花飞溅，呈伞状本文所设计开尔文滴水感应起电机装置能在大约3～4 s起电，且观察到滴水偏转呈伞状，现象明显还可以看到水花飞溅，如图8所示(为了观察实验现象，溶液加上颜色).3.2 产生静电高压莱顿瓶与中央挡板设计，能使电荷快速积累，用SIMCO-FMX-003静电仪测量到17 kV左右静电高压，甚至超出量程.如图9所示为某一次实验的照片，数据显示的电压是+17.3 kV.3.3 尖端放电连接放电装置，开尔文滴水起电机提供的高压静电，能让尖端击穿空气放电，周期约为5～8 s，现象如图10所示.本文通过采用控制变量法对开尔文滴水起电机的材料和相关参数进行优化量化，实验结果表明该装置的滴水流速为115 mL/min，线圈匝数为10匝，感应距离为0.25 cm，滴落距离为18.0 cm时，起电效果最佳，起电时间为3～4 s，产生的静电高压达17.3 kV.该装置无需用特殊溶液(自来水即可)，无需预加电荷，且在相对湿度为85%时，起电现象依然很明显.【相关文献】[1] 田得良，蔡东阳，叶晓靖，等.Kelvin滴水发电机起电速度探究及装置改进[J].大学物理，2015，34(10): 51-56.[2] 高朋，周腾蛟.开尔文滴水起电机的简易装置与实验研究[J].沈阳师范大学学报， 2008，26(3):303-305.[3] 丁时慧.神奇的倒置喷泉——简易滴水起电装置设计与制作[J].中学物理教学参考， 2012，41(12):47-49.[4] 张仁彦，邓意麒，彭刚.开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究[J].物理实验， 2011，31(9):37-40.[5] 吴家宽.开尔文滴水感应起电机的制作与技巧[J].物理教师， 2002， 23(2):28.[6] 李宪武，任国珍.滴水起电机及其在演示实验中的应用[J].教学仪器与实验， 1987， 3(6):20-21.[7] 颜君，刘璐，段涛，等.滴水感应起电仪的实验及其改进研究[J].大学物理实验， 2012，25(3):60-64.。
滴水放电及其应用
实验结果及数据分析：
由于该实验对环境的湿度要求很高，适宜 在凉爽、干燥的环境下进行，而南方的环境 相对潮湿给实验带来很多不利的影响。因此， 我们对该实验的装置加以了更加细微改进。 1、调节环与喷嘴以及环与盛水桶的最适高度。 2、通过调节实验装置的滴水速度。 3、增强导电环的线圈的匝数与装置绝缘性。 通过对这几个方面的改进，从而让我们的实 验有了更加明显的现象。
实验目的：
1、改进开尔文滴水装置，增加导电环个 数，提高装置绝缘性来提高装置放电速 率。 2、利用开尔文滴水装置产生的高压进行 污水处理。
实验原理：
储水器下端有两个滴水孔，每个孔流 出水滴各自通过一个导电环留到相应 的桶里。桶G通过导线与导电环F相连 接，H桶与导电环E相连接。假如G中 的桶偶然地带有正电荷时，将会通过 导线传给F，使F也带有正电荷，F将 会吸引负电荷到H中，相应的E也会带 有负电荷，将会吸引正电荷，最终滴 落在G中，由于该正反馈将会使环和 桶的电荷逐渐增多，形成更强的静电 感应，如此循环进行，电荷分离速度 逐步加快电荷积累量随时间呈指数增 长，一会便在两根针之间形成足以击 穿空气的高电压。
完善改进：
下一步计划：
开尔文装置的应用方向：
应用1： 利用开尔文装置产生的高压进行污水处理。 应用2：电量收集起来，构 成滴水发电机。 应用3： 利用装置产生的高压电击穿空气时产生的氧 负离子净化空气。
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导电环线圈匝数300匝/环
实验结论：
根据我们所做实验，开尔文滴水放电装置效果影响的因 素主要有以下几个： 一、水流速度； 二、导电环与滴水孔；导电环与底下盛水桶的高度； 三、装置中的各项绝缘性。
作品优势亮点：
1、该装置简易、环保。 2、可利用生活污水，工业污水作为水源进 行污水处理，吸收有害离子，起到资源重 复利用的作用。 3、可应用其产生的高电压静电场制成消毒 除菌系统。 4、利用该装置的击穿过程可对工业废气进行净化， 制成空气净化器。
开尔文滴水器
开尔文滴水器的简易装置与实验研究胡仕嘉邹炽元（华南理工大学自动化学院）摘要：本文主要介绍开尔文滴水器的基本原理，及其实简易装置，描述了开尔文滴水器的实验现象，讨论了影响实验效果的因素和改进方法。
关键词：开尔文滴水器，静电起电。
1、引言滴水起电机，又名开尔文滴水发电机（英文：Kelvin Water Drop），是英国科学家开尔文于1867年所发明的一种静电产生器。
开尔文利用这种装置，作为他的水坠冷凝器。
该装置利用水滴滴落过程中对电压差的正反馈作用和水中正负离子对由电偶极子产生的静电场的静电感应作用来形成电压差（最高可达3*10^6V）,最后累积到一定电压值，从而击穿空气，产生放电现象。
2、简单原理图及其工作原理2.1 开始阶段在自然情况下，水槽中的水中的H+与OH-离子并不是分布均匀的。
在局部正离子数和负离子数并不相等。
所以左右两个滴孔中滴下的第一（或前几滴）滴水带着不同微弱的电荷。
滴入金属筒后使左右两个金属筒带着微弱的电性。
不妨设左带负电，右边带正电。
通过导线的传导，使左右两个极板带上不同的电性。
并且使两个金属筒上带上一个初始的电势差V o，开始阶段结束。
2.2 累积阶段如图所示当C2带负电时，R2也带负电。
此时极板R2的负电吸引水桶中的正离子靠近J2端，从而使从J2端流出来的水滴对外显正电。
水滴通过R2的滴孔滴入C1中，通过导线的传递，使R1盘上的电量增加。
与R2相似，R1吸引水桶中的负离子靠近J1端。
水滴通过R1的滴孔滴入C2中，进而也使R2极板的电荷量增加。
通过这种累计效应。
使C1，C2两个金属筒的电压差逐渐变大。
假设水流速度均匀。
那么我们有电压的变化率正比于两金属筒板间电压差。
有通过积分。
得：其中k是与水流量，装置所用金属的导电性有关的常量。
V o为启动阶段两个金属筒所产生的电压差。
2.3 放电阶段在累计极端，两个金属筒之间的电压差不断增大，并且此积蓄没有办法在内部进行消耗。
当两金属筒间的电压达到一定程度时，就会击穿空气，产生放电现象。
关于开尔文起电机的实验笔记
关于开尔文起电机的实验笔记：绝缘对于装置的重要性：在理想状况下，由于系统的绝缘性非常好，两铝锅之间所能达到的电位差会非常高，达到数万伏．但是，在实际实验的过程中，系统的绝缘性不可能非常好，也就是说，电荷会因为尖端放电、溶液表面与空气的电荷交换以及系统与地面之间的漏电等原因而不断流失，则两铝锅之间的电位差存在一个最大值．随着两铝锅之间的电位差不断增加，静电感应会不断强化，但同时电荷流失速度也不断加快．当电荷的积累与电荷的流失达到平衡时，两铝锅之间的电位差也就达到最大5月16日星期四经过小组内的探讨，我们决定做一个简易的开尔文起电机。
所需要的材料有：一个1.5L的可乐瓶，2个易拉罐，若干导线（带架子），一个带磁铁的塑料平台，铁架台，静电计，万用表（用来检测电路通断），两个金属桶，2个点滴器（用来引流）。
在做实验的过程中发现静电计完全没有反应，推测是电荷被导走，所以没有电荷积累。
通过思考和查资料发现是由于装置的绝缘没有做好，导致装置中的金属裸露在空气中，又因为空气湿度较高，富含大量正负离子，所以能够很快的与起电机产生的少量电荷中和，导致现象很不明显。
（参考开尔文起电机在潮湿环境中的研究）。
所以，第一天我们完成了整个装置的滴水线路部分（主要将点滴器与塑料瓶连通）。
5月23日星期四为保证装置与空气良好绝缘，我们做了如下处理：1.将用易拉罐瓶身做的感应圆环用漆包线缠绕的塑料圆环代替，保证了绝缘性2.用塑料保温壶盖代替金属桶3.将导线的裸露在外面的架子用电工胶布包裹4.在下端储水盒的表面用一层油覆盖，避免水面直接与空气接触为增强水的导电性能，在自来水中加入了一定量的NaCl，以增加其中含有的自由离子浓度但不幸的是，做实验时发现，仍旧没有明显现象，经过思考发现是由于装置绝缘做的太好，导致起电机不能再通过自然方式带电，所以需要人工加一定量的初始电荷或电压。
尝试了实验室中的范式起电机，但由于它年久失修，所以起电效果很不明显。
滴水起电机简易装置的制作与应用分析
滴水起电机简易装置的制作与应用分析制作：赣榆县实验中学阮志军于世贵徐大仕滴水起电机最早是由开尔文发明的，又名开尔文滴水起电机．它十分简单、便于制作，却含有丰富的物理思想，可是在实践中发现材料的选择和细节安排的不同会直接影响实验的成败，为此进行了大量的对比试验，制作了一种材料易得、制作简单的滴水起电机简易装置．此装置增加了滴水管的固定与底部绝缘部分，水中加入红色钢笔水，且水管加细使喷泉现象更明显，一经制作完毕，以后使用可无需调节，只需加水便就可成功演示．它集科学性与趣味性于一身，十分适用于中学教学演示，更可让学生自己制作，既锻炼动手能力又能激发其对科学的兴趣．一、实验原理及装置如图l所示，A为储水装置。
B1，B2为三通导管的两个出水口，C l，C2为两去了上下底的金属圆筒，D l，D2为两个金属盆，C l与D2，C2与D l分别用导线相连，水滴穿过金属圆筒中心落入金属盆中．由于宇宙射线和地下放射性物质发出的放射线等作用，使空气中气体分子发生电离而形成离子，它们不断的做不规则运动，撞击金属盆，在金属盆上就形成了电势的涨落，某一时刻如果D1的电势略高于D2，那么相应的C2的电势就高于C l，由于感应起电．B l中流出的水滴带正电．水滴携带着电荷落入盆中，使盆D1也带上了正电荷，与之相连的金属圆筒C2所带的正电荷也就不断增加，相应的从B2中流出的水滴上就会被感应出更多的负电荷．如此循环下去，D l和D2上积累的电荷越来越多，此时的D1和D2也就相当于了电源的正负极．二、材料大矿泉水瓶1个，去上下底的易拉罐1个(从中间一分为二)，医用输液器2个，敞口金属碗2个，小矿泉水瓶1个，2个瓶盖，盆状的塑料盒l个，导线若干，塑料胶布，双面胶，细丝线，红色钢笔水．三、装置制作实验装置如图2所示：(1)A为敞口的塑料包装盒，底部靠近边缘处左右对称的钻两个小孔，用双面胶固定在大矿泉水瓶的上部．(2)B1和B2是将医用注射器的可调水流的部分截取下来，上端同注射器锥形坚硬部分安装到一起，下端倒插入一个靠近针头部分的细管制成的．将B l和B2分别插入A的两个孔中．其下端靠近管口处用分别用瓶盖B l和B2固定在大矿泉水瓶上，两边要对称并且保证管口竖直朝下．(3)C1和C2为易拉罐去掉上下底后一分为二所制，用塑料胶带把边缘封好，用双面胶固定在中心大瓶上，要保证水流垂直通过C l和C2的中心．下部连出两根导线，圆筒的外壁上贴上若干条长度约为4cm的丝线．(4)D1和D2用两个金属碗做成，对应放在C1和C2的下方，将与C l相连的导线放入D2中，将与C2相连的导线放入D l中，D l和D2的下部装在两个塑料泡沫环N1和N2中，底部悬空，外壁同样贴上若干根丝线．四、演示现象将与一定量红色钢笔水混合好成红色的水倒入A中，调整好从B l和B2中流出的水流的大小，使其相同并且刚好成为连续且很细的水流，会发现丝线与罐和碗壁的夹角逐渐增大，丝线逐渐“站立”起来．同时观察水流会发现水从管口流出后逐渐变成水滴分散开来，形成向上喷的红色喷泉，如图2所示．当水滴完后丝线与器壁的夹角缓慢减小，最终闭合，若用一根导线同时接触C1与C2(或者D l与D2)会发现丝线与器壁的夹角迅速变零．五、研究与讨论1演示现象分析(1)C1、C2、D l、D2上的丝线“站立”起来说明他们都带上了电荷．(2)形成向上喷的喷泉说明水滴带上了电荷相互排斥，同时在C1与D l,C2与D2形成的电场的作用下向上运动．(3)水滴完后丝线与器壁的夹角会缓慢闭合，说明装置有电荷损失，分析和尖端放电与空气湿度有关有电荷流失．(4)用一根导线同时接触C l与C2(或者D l与D2)丝线与器壁的夹角迅速变零且喷泉现象消失，说明C l与C2(或D l与D2)带异种电荷．2关于装置的研究与发现(1)使用了医用注射器使水流可调，经试验对比发现：水流的大小很重要，水滴的间隙过大不能很快的积累电荷，而水流过大会使D l和D2间建立电荷通路引起中和，都将无现象产生，只有水流很细且刚好成流时才会起作用．(2)经实验调节发现：水流一定要从圆筒的中心竖直流下才会有现象，有偏差时水流会被圆筒吸引落在圆筒上引起中和(在中心时若积攒电荷较多，也会有水滴在圆筒上但是相对较少)，C l、C2的边缘一定要打磨光滑，用塑料胶带封好，导线直接放入下面D l、D2中减少连接点，减少由于尖端放电引起的电荷损失． (3)装置的D l、D2下部一定要加塑料泡沫环，使底部悬空与地面起到绝缘的作用，否则会漏电无现象产生．(4)由于电荷流失，不能达到持续的电荷的积累，本装置的演示现象明显，但在控制尖端放电以及使水滴不落到圆筒上引起中和等方面仍有待于进一步提高．。
开尔文滴水说明
开尔文滴水实验说明滴水起电机具有构造简单,制作容易等优点。
它除作为静电高压电源,用于课堂静电演示实验外,还有利于配合课堂教学开展学生课外实验。
1原理简述开尔文滴水起电机的传统装置如图1所示·图1开尔文滴水起电机仪器的上部有一贮水装置A,其下部接三通导管B,水沿导管B漏下后分为两个支路,C端和D端装有控水夹,下面再接一锥形管,可使水滴从尖端向下滴,E,F为两个金属圆筒,水滴可从筒的中心穿过,G,H为两个盛接滴水的铝锅,用导线把金属圆筒E,F与铝锅交叉连接·由于空气中带电粒子在铝锅上附着的涨落,设某一时刻的涨落使G的电位略高于H·由于静电感应,D端尖部水滴带负电,C端尖部水滴带正电·下落的水滴携带电荷落入铝锅中,立即流向铝锅的外表面,与之相连的金属筒的电位不断提高,进而强化了导管B中水柱的静电感应,使每滴水携带的电量更多,不断循环这一正反馈过程,使2个铝锅之间的电位差不提高。
2、原理大气中有许多带电粒子(如宇宙射线粒子等,平均每立方厘米达500多个),这些带电粒子与蓄水罐或金属环相碰,就会使金属环(即感应器)带上极微量的电荷.左边的蓄水罐里.如此循环下去,随着两电极(即蓄水罐)的正、负电荷越积越多,两个正、负金属环上的施感电荷也越来越多,所以每滴水所携带的电量也不断增加,很快就能使两电极间建立起一万八千伏左右的高压。
3 制作过程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。
关于开尔文起电机的实验笔记
关于开尔文起电机的实验笔记：绝缘对于装置的重要性：在理想状况下，由于系统的绝缘性非常好，两铝锅之间所能到达的电位差会非常高，到达数万伏．但是，在实际实验的过程中，系统的绝缘性不可能非常好，也就是说，电荷会因为尖端放电、溶液外表与空气的电荷交换以及系统与地面之间的漏电等原因此不断流失，那么两铝锅之间的电位差存在一个最大值．随着两铝锅之间的电位差不断增加，静电感应会不断强化，但同时电荷流失速度也不断加快．当电荷的积累与电荷的流失到达平衡时，两铝锅之间的电位差也就到达最大5月16日星期四经过小组内的讨论，我们决定做一个简易的开尔文起电机。
所需要的材料有：一个1.5L的可乐瓶，2个易拉罐，假设干导线〔带架子〕，一个带磁铁的塑料平台，铁架台，静电计，万用表〔用来检测电路通断〕，两个金属桶，2个点滴器〔用来引流〕。
在做实验的过程中发现静电计完全没有反响，推测是电荷被导走，所以没有电荷积累。
通过考虑和查资料发现是由于装置的绝缘没有做好，导致装置中的金属裸露在空气中，又因为空气湿度较高，富含大量正负离子，所以可以很快的与起电机产生的少量电荷中和，导致现象很不明显。
〔参考开尔文起电机在潮湿环境中的研究〕。
所以，第一天我们完成了整个装置的滴水线路部分〔主要将点滴器与塑料瓶连通〕。
5月23日星期四为保证装置与空气良好绝缘，我们做了如下处理：1.将用易拉罐瓶身做的感应圆环用漆包线缠绕的塑料圆环代替，保证了绝缘性2.用塑料保温壶盖代替金属桶3.将导线的裸露在外面的架子用电工胶布包裹4.在下端储水盒的外表用一层油覆盖，防止水面直接与空气接触为增强水的导电性能，在自来水中参加了一定量的NaCl，以增加其中含有的自由离子浓度但不幸的是，做实验时发现，仍旧没有明显现象，经过考虑发现是由于装置绝缘做的太好，导致起电机不能再通过自然方式带电，所以需要人工加一定量的初始电荷或电压。
尝试了实验室中的范式起电机，但由于它年久失修，所以起电效果很不明显。
开尔文滴水器所涉及的相关物理概念
二、导体处于静电平衡后的电荷分布
1.导体内处处无净余电荷 证明：在导体内任取体积元dV ,设其电荷 体密度为 q E内 0 E内 dS 0 0 S 由高斯定理可知体积元内的电荷量为零 0 dV 0 2.导体的净余电荷只分布在导体表面 若导体表面某处面电荷密度为 ˆ 则该处的电场强度为 E表 n 0 证明:取如图所示的柱形高斯面
E内=0
Q 导体腔内无电荷
Q+q
导体腔内有电荷
6. 静电屏蔽（Q=0或Q≠0）:
E内=0
如果把一个精密电磁仪器放入导体壳的空 腔中，它不会受到壳外带电体或壳外表面 电荷的影响。
静电场中的导体
导体 由带负电的自 由电子和带正电的 晶格点阵构成；
一、导体的静电感应和静电平衡
1.静电感应： 导体处在外电场中时，其上的自由电荷重新分布； 2.静电平衡： 导体内部和表面的自由电荷不再作定向移动. 3.导体静电平衡的条件： 导体内场强处处为零 E内 0
推论: 1.) 导体等势体，导体表面是等势面 U c
dV
E内 0
dS
E表
导体表面
1 4. 孤立带电导体表面的电荷分布： R
——尖端放电：避雷针
3. 带电导体的接地效应：导体与大地等电势（为零）。无外电 场时，带电导体表面净电荷流入大地；有外电场时，被外电场 排斥的电荷流入大地。
2024届新疆普通高中高三下学期第一次适应性检测理综高效提分物理试题(基础必刷)
2024届新疆普通高中高三下学期第一次适应性检测理综高效提分物理试题（基础必刷）学校：_______ 班级：__________姓名：_______ 考号：__________（满分：100分时间：75分钟）总分栏题号一二三四五六七总分得分评卷人得分一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题如图，两物块P、Q置于水平地面上，其质量分别为m、2m，两者之间用水平轻绳连接。
两物块与地面之间的动摩擦因数均为，重力加速度大小为g，现对Q施加一水平向右的拉力F，使两物块做匀加速直线运动，轻绳的张力大小为（ ）A．B．C．D．第(2)题一物体做匀减速直线运动，初速度为10m/s，加速度大小为，则物体在停止运动前1s内的平均速度为（ ）A．5.5m/s B．5m/s C．1m/s D．0.5m/s第(3)题目前，我国在人工智能和无人驾驶技术方面已取得较大突破。
为早日实现无人驾驶，某公司对某款汽车性能进行了一项测试，让质量为的汽车沿一山坡直线行驶。
测试中发现，下坡时若关掉油门，则汽车的速度保持不变；若以恒定的功率上坡，则从静止启动做加速运动，发生位移时速度刚好达到最大值。
设汽车在上坡和下坡过程中所受阻力的大小分别保持不变，下列说法正确的是（ ）A．关掉油门后的下坡过程，汽车的机械能守恒B．关掉油门后的下坡过程，坡面对汽车的支持力做功不为零C．上坡过程中，汽车速度由增至，所用的时间等于D．上坡过程中，汽车从静止启动到刚好达到最大速度，所用时间一定小于第(4)题1861年，英国科学家开尔文发明了一种滴水起电机，实验装置如图1所示，滴水装置左右相同的两管口形成的水滴分别穿过距管口较近的铝环A、B后滴进铝筒C、D，铝环A用导线与铝筒D相连，铝环B用导线与铝筒C相连，导线之间彼此绝缘，整个装置与外界绝缘。
由于某种偶然的原因，C筒带上微量的负电荷，则与之相连的B环也带有负电荷，由于静电感应B环上方即将滴落的水滴下端会带正电荷，上端带负电荷，如图3所示。