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。所以，我们在网上订购了一台感应起电机。

5月26日

将感应起电机的一个金属杆与线圈的一端相连，另一个线圈与另一个金属杆相连，使得将装置连接好后，发现当启动感应起电机时，水滴的流速明显加快，有种被“吸”出来的感觉，而且水滴在线圈平面处发生明显的偏转，甚至还有向上偏转的水滴。但当感应起电机停止后，上述现象也消失了。

这令我们非常的困惑，初步推测还是漏电的原因，经过仔细的观察，发现可能是由于感应起电机裸露的金属球将电荷导走。于是，我们又做了一次探究——在转动感应起电机的过程中，将连接在其上的架子去掉。但不幸的是，一旦装置与感应起电机的连接断开，现象便消失了。又重新做了几次，发现依旧如前。

推测可能的原因有以下几个：

1.由于当日有大雨，空气湿度过大，可能有很小面积的金属裸露在外便可将电荷导走

2.由于在操作的过程中，通过人与装置的接触（与绝缘层），比如启动感应起电机后，将

夹子从起电机上取走，因为存在电势差，所以将电荷以某种方式导走。

3.水在滴落的过程中，通过线圈以后，与空气接触损失掉所带电荷

4.设备有可能与大地发生漏电现象

5.系统漏电速度过快，远大于电荷积累速度

实验小结：

在制作的过程中，通过实验发现积累电荷一定要在干燥的环境中进行。否则很容易由于空气中富含的正负离子导致所积累的电荷被中和。

此外

开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究

摘要：探讨了开尔文滴水起电机要求环境凉爽、干燥的原因，并对传统的开尔文滴水起电机进行了改进，通过改善

传统滴水起电机的表面绝缘性，增大水溶液的离子浓度以及预加初始电荷等方法使其能在潮湿的环境下快速获得较大

的高压静电，起电效果明显．

关键词：开尔文滴水起电机；潮湿；离子交换；静电高压计

l 引言

开尔文滴水起电机由英国科学家开尔文发

明，仅用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[1]．这个

精巧设备的伟大之处在于通过巧妙设计，将自然

界中微小的不平衡利用起来，形成良好的正反馈，

从而产生了一个巨大的正负系统．实际上，开尔

文滴水起电机是借助带电水滴转移和积累电荷

的，它蕴含着丰富的实验思想，现象新奇有趣[2]．

但是，和绝大部分静电实验一样，开尔文滴水起电

机只有在凉爽、干燥的环境下，起电效果才较为明

显．在我国广大南方等较为潮湿的环境下，传统

开尔文滴水起电机的起电效果很不明显，甚至不

能起电．本文改进了传统开尔文滴水起电机，通

过增大水溶液的离子浓度，改善传统滴水起电机

的表面绝缘性以及预加初始电荷等方法使其能在

潮湿的环境下快速获得高压静电，实验现象十分

明显．

2开尔文滴水起电机

开尔文滴水起电机是根据静电感应原理使水

滴带电而起电的，它是借助带电水滴转移和积累

电荷的静电起电装置．开尔文滴水起电机的传统

装置如图1所示[3]．

仪器上部有1个储水装置A，储水装置A下

部接三通导管B，水沿导管B漏下后分成2个支

路，C端和D端接有能控制水滴大小的夹子，下

面再各接1个玻璃锥形管，可使水滴从尖端向下

滴，E和F为2个金属圆筒，水滴可从筒的中心通

过，G和H为2个盛接滴水的铝锅，用导线将金

属圆筒E和F与铝锅G和H交叉相连．两铝锅

之间、金属筒与水管之间要有良好的绝缘

开尔文滴水起电机的基本原理是静电感应．

静电感应使水滴带电，带电水滴的下落使电荷积