关于开尔文起电机的实验笔记
范式起电机实验报告完整版
范式起电机实验报告完整版范式起电机，又叫范德拉夫起电机，是一种用来产生静电高压的装置。
下面来简单认识一下关于范式起电机的实验。
【实验仪器介绍】范式起电机演示仪由大金属壳、绝缘支架、传送带、转轮、尖端导体、接地导体板、尖端导体组成。
自己做实验用到的范式起电机【实验原理】当空腔导体的腔内没有其它带电体时，在静电平衡状态下导体空腔内表面上无电荷，电荷只能分布在空腔的外表面，范得格拉夫起电机就是利用空腔导体的这一特性制成的。
大金属壳由绝缘支柱支持着，传送带是橡胶布做成的，由一对转轮带动。
传送带由联接电源一端的尖端导体喷射电荷而带电。
在尖端导体的对面，传送带背后的接地导体板的作用是加强由尖端导体向传送带的电荷喷射。
当带电传送带经过另一尖端导体的近旁时，尖端导体便将电荷传送给与它相接的导体球壳。
这些电荷将全部分布在金属壳的外表面上，使它相对于地的电位不断的提高。
起电机由于静电感应而使箔片上带上电荷并连续取得并积聚较多的电荷，而箔片上的电荷又通过尖端放电的途径而使莱顿瓶不断地积累电荷，达到获得较高的电压的目的。
开始上辊与胶带摩擦而发生的负电荷，被上辊旁的上集电梳所收集到电极球上。
同时胶带与上辊摩擦而发生的正电荷，由胶带输送到下辊，被下辊旁的下集电梳收集入地。
而下辊发生的负电荷，由胶带运送到上辊，被上集电梳收集到电极球上，电机不停地运转，不断反复上述过程，从而发生很高电位.，形成大量电荷会聚在球形罩上。
【实验现象】1.使头发竖立：由于人身导电，所以当起电机启动时，电荷便传到身上。
因为头发上的电荷互相排斥，头发便竖立起来。
（图片脑补）2.吸引发泡胶球：当发泡胶球移近起电机的球形罩时，发泡胶球中分子内的电荷分布将发生变化。
在分子内，正负两极的电荷被轻微地分离，产生所谓极化的现象。
此时球形罩上的电荷与分子内相反的电荷产生微小的吸力，从而吸引整个发泡胶球。
3.排斥纸屑。
此外，该实验能产生高电压，但能量极小，不会对人体产生伤害，当然自己也可以采用一些安全措施，这个实验还是挺有趣的。
开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究
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 ， 使 水 滴从 尖 端 向下 可
滴， Ｅ和 Ｆ为 ２个金 属 圆筒 ， 滴 可从筒 的中心通 水 过 ， 和 Ｈ 为 ２个 盛 接 滴 水 的铝 锅 ， 导 线 将 金 Ｇ 用
属 圆筒 Ｅ和 Ｆ与铝锅 Ｇ 和 Ｈ 交叉 相 连．两 铝 锅
ｌ 引 言
开 尔文 滴 水 起 电机 由英 国科 学 家 开 尔 文 发 明 ， 用 几个罐 子 和几根 电线 组合 的装 置 ， 仅 通过滴 水就 能获 取到 数千伏 特 以上 的静 电高 压［ ．这个 １ ］
三 。 一ｉ ｌ
Ｇ
Ｈ
精巧 设备 的伟 大 之 处在 于通 过 巧 妙设 计 ， 自然 将
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 ， 验 现 象 十 分 实
明 显．
之间、 金属筒 与 水管之 间要 有 良好 的绝缘 ［ ． ４ ］ 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 ， 电水 滴 的下 落 使 电荷 积 带 累， 结果 提 高 了两铝锅 之 间 的电位差 ， 而强化 了 进
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。
制作简易开尔文滴水器并探究影响其放电效果的因素
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。
大部分能量都转化内能消耗掉。
通过探究其放电效果的影响因素（如：电气是否隔离、导线的连通、导电环的位置、水流状态等），以达到最佳的放电效果。
【关键词】滴水放电一、引言：开尔文滴水器(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。
二、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。
三、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。
九年级物理家电与磁第三节电动机及原理最全笔记
电动机一、磁场对通电导线的作用1、提出问题：通电导线在磁场中是否受理的作用？如果受力的作用，力的方向与什么因素有关。
2、猜想或假设：通电导线在磁场中受力的作用，力的方向可能与磁场的方向、导体中电流的方向有关。
3、设计并进行实验：实验①：按照图所示装置，用两根平行的金属导轨，把一根直导线ab支起来，并且让指导线位于蹄形磁体两极之间的磁场中，接通电源，观察现象。
实验现象：直导线ab向左运动。
实验分析：ab开始运动，说明ab通电后在磁场中受到力的作用。
实验②：保持N极、S极位置不变，改变通过ab的电流方向，观察实验现象。
实验现象：直导线ab向右运动。
实验分析：ab中电流方向改变，ab的运动方向也该变，表明电流方向改变后，ab受力方向也改变了，说明ab受力方向与ab中的电流方向有关。
实验③：保持ab中的电流方向与实验①中相同，把磁体的两个磁极对调，让磁感线方向与原来方向相反，观察实验现象。
实验现象：直导线ab向右运动。
实验分析：改变磁感线方向，ab运动方向也改变，说明ab受力方向与磁感线方向有关。
实验④：同时改变ab的电流方向和对调磁体的两个磁极，观察实验现象。
实验现象：直导线ab向左运动。
实验分析：同时改变电流方向和磁感线方向时直导线向左运动，说明当电流方向与磁感线方向同时反向时，ab受力方向不变。
知识拓展：（1）磁场为什么会对电流产生力的作用。
我们知道磁体周围有磁场，电流周围也存在着磁场，我们可以把通电导线看成一个磁体，当通电导线靠近磁体时，他们之间的作用通过磁场而发声。
因此，磁场对电流的作用，其实质也是磁体和磁体之间通过磁场而发生的作用。
（2）通电导线在磁场中的受力情况与磁感线的方向、电流的方向以及它们之间的相对位置有关。
当电流方向与磁感线方向平行时，通电导线不受力；当通电导线与磁感线方向垂直时，受力最大。
（3）通电导线在磁场中受力运动时，消耗了电能，得到了机械能。
注意：（1）实验探究磁场对通电导线的作用时，是通过力的作用效果来显实力的存在，即通过导线ab在导轨上发生了运动来说明导线ab受到了力的作用。
滴水起电机简易装置的制作与研究
管 口流 出 后逐 渐变 成 水 滴 分 散 开 来 ， 成 向上 喷 的 红 色 喷 形 泉 ， 图 ２所 示 ． 如 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 Ｃｌ ｃ （ 与 ２ 或者 Ｄ】 与 Ｄ２会发现丝线与器壁的夹角迅速变零 ． ）
图 １
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 Ｂ１ Ｂ 和 ２中 流 出 的水 流 的 大 小 ， 其 相 同并 且 刚 使 好 成 为 连 续 且很 细 的水 流 ， 发 现 丝 线 与 罐 和碗 壁 的 夹 角 会
逐渐增大 ， 线逐渐“ 丝 站立 ” 起来 ． 同时 观 察 水 流会 发 现 水 从
（ ） 成 向上 喷 的喷 泉 说 明 水 滴 带上 了 电 荷相 互 排 斥 ， ２形 同时 在 Ｃ 与 Ｄ ＩＣ ｌ ’ ２与 Ｄ２形 成 的 电 场 的 作 用 下 向 上 运
动．
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 ， 口金 属 碗 ２个 ， 敞
６ 研 究 与 讨 论 ６ １ 演 示 现 象 分 析 ． （ ） 、 ２ＤＩＤ２ 的 丝线 “ 立 ” 来 说 明他们 都 带 １ ＣｌＣ 、 、 上 站 起
上 了 电荷 ．
Ｄ２那 么相应 的 ｃ 的电势就高于 Ｃ ， ， ２ 】 由于感应起电 Ｂ１中
流 出 的水 滴 带 正 电 ． 滴携 带 着 电 荷 落 入 盆 中 ， 盆 Ｄ１ 水连 的金 属 圆 筒 Ｃ 所 带 的 正 电 荷 也 与 ２
就 不 断 增 加 ， 应 的从 Ｂ’ 流 出 的 水 滴 上 就 会 被 感 应 出 相 中
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。
开尔文环流定律实验报告
开尔文环流定律实验报告1. 引言开尔文环流定律是流体力学中的重要定律之一，描述了绕过物体的流体受到的力学影响。
本实验旨在验证开尔文环流定律，并通过实验数据分析验证该定律的适用范围。
2. 实验原理开尔文环流定律是基于质量守恒和动量守恒定律推导出的。
根据定律，流经物体上下表面的流速之差与物体周围流体速度之差成正比。
开尔文环流定律的数学表达式为：\[\Delta v = \frac{{4 \cdot v \cdot V}}{{\pi \cdot D^2}}\]其中，\(\Delta v\)代表流经物体上下表面的流速之差，\(v\)代表物体周围流体的速度，\(V\)代表物体的体积，\(D\)代表物体的直径。
3. 实验设备与步骤3.1 实验设备- 一台流体力学实验装置- 一个流速计- 一个直径测量器3.2 实验步骤1. 将流速计安装在实验装置上，调整合适的测量位置。
2. 在流速计上设置初始测量流速。
3. 将待测物体放置在流场中，保证流体完全绕过物体。
4. 记录测量数据。
5. 更换不同直径的物体，重复步骤3和4。
4. 实验结果与分析4.1 实验结果通过实验我们获得了不同直径物体下的流速差，如下表所示：直径\(D\) (cm) 流速差\(\Delta v\) (cm/s)1 2.42 4.83 7.24 9.65 12.04.2 实验分析根据开尔文环流定律的数学表达式，我们可以计算出理论上的流速差，并将其与实验结果进行比较。
根据实验数据，我们计算出的理论流速差如下：直径\(D\) (cm) 理论流速差\(\Delta v\) (cm/s)1 2.412 4.833 7.244 9.665 12.07从实验结果和理论计算结果可以看出，两者非常接近，验证了开尔文环流定律的正确性。
实验结果与理论计算结果的偏差可能由于实验装置不完善、环境因素以及实验误差等原因导致。
5. 结论本实验通过测量不同直径物体下的流速差，验证了开尔文环流定律。
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 ． 、
：兰
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.。
感应起电机起电原理的实验探究及其解释(1)
第29卷 第8期2009年8月 物 理 实 验 P H YSICS EXPERIM EN TA TION Vol.29 No.8 Aug.,2009 收稿日期:2009202223 作者简介:朱向阳(1960-),男,江西信丰人,信丰中学物理高级教师,从事中学物理实验教学与研究工作.基础教育研究感应起电机起电原理的实验探究及其解释朱向阳1,崔缨子2(1.信丰中学,江西信丰341600;2.赣州市第三中学,江西赣州341000) 摘 要:探究了对静电感应起电机正转和反转时起电现象的实验,结果表明感应起电机正转和反转时都能起电.通过模拟实验的推演,对起电原理作了合理的解释.关键词:静电感应;起电机;起电原理中图分类号:O441.1;G 633.7 文献标识码:B 文章编号:100524642(2009)08200222061 引 言J 2310型静电感应起电机(又称维氏起电机)是静电学中常用的实验仪器.在用静电感应起电机做静电实验时,有很多学生提出静电感应起电机起电原理的问题.关于这个问题,许多老师也很难说清楚[1].由于感应起电机的构造较为复杂和起电现象的微观变化,所以在一般情况下靠直觉是很难通过观察来了解起电原理,特别是使用时必须顺时针摇动摇柄才能起电,而逆时针摇动摇柄不能“起电”,着实让人感到难于理解.经查阅文献发现,关于正转起电原因:有人认为是大气中的带电粒子附着在导电膜上引起起电[1];有人认为是铜丝电刷与铝箔摩擦引起起电;有人认为是开始时两盘所带电荷不平均引起起电[2].而关于反转不起电原因:有人认为是正、负电荷的完全中和所致[3];有人认为是静电感应使电荷被消耗所致[4];有人认为是集电梳在起电盘上的位置不对所致[5].在以上文献的启发下,笔者对感应起电机正转和反转时的起电现象进行了实验探究,探究结果表明感应起电机正转和反转时都能起电.本文介绍该实验的探究方法和实验现象,并根据实验现象对感应起电机的起电原理作出合理的解释.2 感应起电机起电原理的模拟装置1)J 2310型静电感应起电机的主要构造如图1所示.图1 起电机实物图片2)在实验探究时,为了便于根据实验现象研究起电原理,笔者制作了感应起电机起电原理的模拟装置.为便于说明探究现象和分析起电原理,先将模拟装置做介绍.模拟装置如图2所示,主要由木板、纸板等材料制作而成.在木板(45cm ×35cm )上喷上白漆(或贴上白纸)作背景色,把1枚铁钉从木板背面中心钉入穿出正面作内外起电盘的固定轴,用深色纸板剪2个直径分别是18cm 和25cm 的圆盘套在铁钉上作起电盘.为了方便观察和说明问题,把小圆盘p 作实际起电机上的内起电盘(有摇柄的一侧),大圆盘P 作外起电盘.再用2根长分别是15cm 和20cm 的塑料管作内、外起电盘的电刷导电杆f 和F ,两端表示铜丝电刷(为了便于观察和拍照,导电杆两端不另装表示电刷的物件).2根导电杆互成90°,且均与水平方向成45°固定在铁钉上(实验时不跟随圆盘转动).导电杆把内、外起电盘的盘面等分成4块扇区,在各扇区上粘贴1块扇形纸片,表示各扇区内的导电膜铝箔(实际的起电机每块扇区上一般有5片以上的铝箔,后面的论述表明在起电机起电过程中,起电盘每旋转90°每块扇区内的铝箔所经历的微观起电变化相同,所以用1块纸片代表扇区内的所有铝箔),并用a ～d 和A ～D 分别把内外起电盘上的导电膜逐一编号.图2 起电机模拟装置在起电盘的两侧画出集电梳E 1和E 2、放电球T 1和T 2、莱顿瓶C 1和C 2及金属片S 的结构简图.用纸板剪取20个小圆片作正负电荷,一半画上正电荷符号,另一半画上负电荷符号,在记录实验现象和模拟推演时,把小圆片放在模拟装置相应的位置处,表示该处所带电荷的种类.3)在实际使用感应起电机时,通常把顺时针摇动摇柄(内起电盘顺时针旋转,外起电盘逆时针旋转)使感应起电机转动叫做正转;反之,称之为反转.3 感应起电机起电原理的实验探究3.1 实验探究所需器材和探究原理实验器材主要有:J 2310型静电感应起电机1台、测电笔的氖管1个、稍粗的单芯铝线和细铜丝等.实验探究的原理:手持氖管一端,使氖管另端靠近或接触带电体时,氖管里的发光部位总处在低电位端(如图3所示)[6],利用该特性,判断起电盘上各处是否带电和所带电荷的极性.氖管宜用图3所示的老式氖管,现在有种新式氖管因其里面的金属丝绕制不同于老式氖管,把其一端分别靠近(或接触)带正电荷和带负电荷的物体时,发光部位无明显改变,无法判断被测电荷的正负极性,所以不宜使用.图3 氖管结构及测试图3.2 实验探究起电机正转时的起电现象1)在暗室里持续摇动J 2310型静电感应起电机的摇柄使起电机正转,手持氖管一端,使氖管另一端先后靠近内、外起电盘的箔片和放电球T 1,T 2及莱顿瓶C 1,C 2的导电连接杆,观察各处是否带电和带电性质.图4是某次实验的实测结果.图4 正转电荷分布图内起电盘以电刷导电杆f 为分界线,起电盘上半部所有的导电膜铝箔都带负电荷,下半部所有的导电膜铝箔都带正电荷;外起电盘以电刷导电杆F 为分界线,起电盘上半部所有的导电膜铝箔都带正电荷,下半部所有的导电膜铝箔都带负电荷,示意图见图4.内、外起电盘以f 和F 正交所划分的4个扇区形成稳定的电荷区,其中左边扇区两盘均带正电荷,右边扇区两盘均带负电荷,上方内盘扇区带负电荷、外盘扇区带正电荷,下方内盘扇区带正电荷、外盘扇区带负电荷;放电球T 1和莱顿瓶C 1聚集的是正电荷,而放电球T 2和莱顿瓶C 2聚集的是负电荷.在探测过程中发现:内、外起电盘左右扇区的电场特别强,易使靠近的氖管发光,上下扇区的电场较弱,只有在氖管离盘面很近或与盘面接触时才发光.其原因是:左右扇区的电场是由内、外起电盘上同种电荷的电场叠加,叠加后形成的是强电场;而上下扇区的电场则是由内、外起电盘上异种电荷的电场叠加,叠加后形成的是弱电场.实验中还能明显地观察到:4把电刷与铝箔接触处有明显的放电火花,集电梳的尖端有电晕,起电机其他有毛刺的部位也有光亮.32第8期 朱向阳,等:感应起电机起电原理的实验探究及其解释从图4中可看出:两盘上的导电膜铝箔每次通过本盘电刷后所带电荷的极性都与原来所带电荷的极性相反.2)大多数文章(包括仪器说明书)认为左、右扇区的导电膜铝箔分别经过集电梳E1和E2时,铝箔上所带的电荷与集电梳感应出的异种电荷形成尖端放电而中和,使经过集电梳后的铝箔不再带电(呈现电中性),并以此推演下步的起电情况.上述观点与实验探测的结果不相符.实验探测到经过集电梳E1和E2后的铝箔跟尚未经过集电梳的铝箔都同样能使氖管发光,且发光亮度无明显变化,电荷极性也相同,若铝箔已被电刷刮伤有毛刺,还可看到经过集电梳后而靠近电刷时(未与电刷接触)的铝箔会产生电晕放电,这说明经过集电梳后的铝箔还同样带有电荷.所以,以经过集电梳后的铝箔不再带电来推演下步的起电情况,其结果缺乏科学性.为了进一步探究集电梳E1和E2在起电机中的作用,笔者把集电梳E1和E2移开起电盘后进行实验.实验结果是除了莱顿瓶和放电球不带电外,内、外起电盘上所带电荷情况跟图4相同.这说明有无集电梳对起电盘的起电没有任何影响,但对莱顿瓶和放电球能否“收集”到电荷起到关键作用.因此,可以把静电感应起电机分作2个系统,即由内、外起电盘和电刷等组成的“起电系统”和由集电梳、莱顿瓶和放电球等组成的“集电系统”.3.3 实验探究起电机反转时的起电现象1)在通常情况下使用J2310型静电感应起电机,只能顺时针摇动摇柄使起电机正转,如逆时针摇动摇柄,摇柄会从转动轴上退出.为了能实验探究起电机反转时的起电现象,可用手固定皮带轮,然后顺时针转动摇柄,使摇柄在转动轴里套紧.套紧后的摇柄可顺时针摇动使起电机正转,也可逆时针摇动使起电机反转.2)在暗室里持续摇动起电机的摇柄使起电机反转,手持氖管一端,使氖管另一端先后靠近内、外起电盘的箔片和放电球T1,T2及莱顿瓶C1,C2的导电连接杆,观察各处是否带电和带电性质.图5是某次实验的实测结果.内起电盘以电刷导电杆f为分界线,起电盘上半部所有导电膜铝箔都带正电荷,下半部所有导电膜铝箔都带负电荷;外起电盘以电刷导电杆F为分界线,起电盘上半部所有的导电膜铝箔都带正电荷,下半部所有的导电膜铝箔都带负电荷.内、外起电盘以f和F 正交所划分的4个扇区形成稳定的电荷区,其中左边内盘扇区带负电荷、外盘扇区带正电荷,右边内盘扇区带正电荷、外盘扇区带负电荷,上方扇区两盘均带正电荷,下方扇区两盘均带负电荷,放电球T1,T2和莱顿瓶C1,C2均不带电.内、外起电盘强电场区由正转时的左右扇区变为上下扇区,弱电场区由正转时的上下扇区变为左右扇区.图5 反转电荷分布图实验中还能明显地观察到:4把电刷与铝箔接触处有明显的放电火花,集电梳的个别尖端有时也有电晕(但比正转时弱得多),起电机其他有毛刺的部位也有光亮.从图5中可看出:两盘上的导电膜铝箔每次通过本盘电刷后所带电荷的极性都与原来所带电荷的极性相反,跟正转时的情况相同.3)从图5中可看出,起电机反转时起电系统也在不断地起电,但内、外起电盘均带正电荷或负电荷的扇区已稳定在f和F正交所划分的上、下扇区,而分别经过集电梳E1和E2的左、右扇区的内、外起电盘均带异种电荷.由于集电梳E1和E2各自同时收集的是异种电荷,异种电荷在集电梳上发生中和,结果使集电系统无法储集电荷.但若把集电梳E1和E2安装在图5中的上、下扇区内,集电系统应该可以起到“集电”和向外“供电”的作用.为了证实这一猜想,笔者进行了下述实验.用单芯铝线和细铜丝自制成2个集电梳,分别安装在起电机的上、下扇区内,各集电梳的另一端分别与起电机的左右集电杆连接,使起电盘4个扇区均有集电梳.实验时先把2个放电球靠近(相距1cm左右),然后使起电机正转,可看到两球间发生火花放电并伴随有空气的爆鸣声.再使起电机反转,同样可看到两球间发生火花放电并42 物 理 实 验第29卷伴随有空气的爆鸣声.实验探究的结果表明:J2310型静电感应起电机反转时,起电系统也在起电,集电系统不能集电是因为集电梳的位置不对.3.4 实验探究电刷装置对起电的影响J2310型静电感应起电机的内、外起电盘上各有1根导电杆,导电杆两端均安装有铜丝电刷, 2根导电杆互成90°,并且都与水平方向成45°固定在起电盘的固定轴上,组成电刷装置,各电刷与盘面上的铝箔紧密接触.电刷装置对起电机起电的影响,笔者做了实验探究.1)拆除电刷装置中的1把电刷后使起电机正转或反转,实验结果是起电机不能起电.这说明电刷是起电机起电系统不可或缺的部件.所以,在使用起电机时,必须使4把电刷都与铝箔紧密接触才能起电.2)把起电机内、外起电盘上的电刷导电杆各旋转90°(通过拆除、安装的办法)相互交换所对的位置,再使起电机正转或反转进行实验.起电机正转时实测的结果与图5情况相同,起电系统能够起电,但集电系统不能集电;起电机反转时实测的结果与图4情况相同,起电系统能够起电,集电系统也能够集电.3)J2310型静电感应起电机内、外起电盘上的导电杆,已通过金属固定轴连通为一体.这种结构对起电是否会产生影响,笔者也做了实验探究.在1根胶皮铝芯线的两端固定一些细铜丝自制成电刷,用它替代内起电盘(或外起电盘)上的电刷,使内、外起电盘上的导电杆互不连通,然后使起电机正转或反转进行实验.实验结果表明:2根导电杆是否连通对能否起电没有影响.如果把自制电刷的铝线剪断(即同一起电盘的2把电刷相互断开)后进行实验,结果是起电机不能起电,这表明同一导电杆两端的电刷是靠导电杆进行相互作用的.所以,起电机在其他情况正常时还不能起电,可能是2把电刷之间由于某种原因(如电刷与导电杆接触处生锈)使他们断开所致.4)有些教师认为感应起电机是由于铜丝与铝箔的摩擦而起电,为了探究起电机起电是否与“摩擦起电”有关系,笔者用同台起电机的4片铝箔代替铜丝电刷(同种物质相互摩擦)进行了实验探究.实验结果是起电机照样起电,这说明电刷起导电作用,而不起“摩擦起电”的作用.4 感应起电机起电原理的解释根据上述实验现象,并通过用起电原理模拟装置对静电感应起电机的起电机理和集电机理的模拟推演,笔者认为“静电感应”和“正负电荷中和”是静电感应起电机起电的基本原理.在上文中已把静电感应起电机分作“起电系统”和“集电系统”两部分,为了方便论述,下面分别对“起电原理”和“集电原理”进行说明.4.1 感应起电机的起电原理1)正转起电过程.如图2所示,假设在导电杆f上端电刷所对外起电盘的位置处(在其他位置处,起电的情形类似),受到大气中较多的正电荷(如是负电荷,起电的情形类似)粒子碰撞.当起电机正转时,逆时针旋转的外起电盘(下称P 盘)上B区铝箔经过此处时便带上正电荷,同时使顺时针旋转的内起电盘(下称p盘)上经过电刷的a区铝箔,由于静电感应带上负电荷,而与f 下端电刷接触的c区铝箔则被感应出正电荷,P 盘上的D区铝箔带上负电荷,如图6所示.图6 正转开始时p盘和P盘同时旋转90°至图7位置时,P盘B区带正电荷的铝箔和D区带负电荷的铝箔分别与F两端的电刷接触,如图7(a)所示.由于F 的连接,使正负电荷发生中和,导致两区的铝箔成电中性,但同时旋转到此位置上的p盘c区带正电荷的铝箔和a区带负电荷的铝箔,由于静电感应,使B区和D区上的铝箔重新带上电荷.根据感应规律,B区铝箔带上负电荷,D铝箔带上正电荷.结果使它们经过电刷后所带电荷的极性,刚好跟经过电刷前所带电荷的极性相反.与此同时,C区铝箔也进入大气中的正电荷粒子碰撞位置而带上正电荷,由于静电感应,使b区和A区铝箔带上负电荷,而d区铝箔带上正电荷.最后结果各区铝箔带电情况如图7(b)所示.52第8期 朱向阳,等:感应起电机起电原理的实验探究及其解释(a )电荷变化前 (b )电荷变化后图7 正转90°时当p 盘和P 盘继续旋转至刚好180°时,两盘上便以f 和F 正交划分的4个扇区,形成不同的电荷分布区,其中左边扇区的内、外盘均带正电荷,右边扇区的内、外盘均带负电荷,上、下扇区的内、外盘均带异种电荷,如图8所示.图8 正转180°此后,因为内、外盘各铝箔均带上了电荷,起电机继续正转,各铝箔经过电刷时,在“正负电荷中和”和“感应起电”这两个物理过程的作用下,改变所带电荷的极性,从而不断地自激起电.至此,空气中的电荷源就不再起作用了.因此,仪器说明书上把“电刷装置”叫做“中和电刷”,同时在括号内注释为“感应电刷”,笔者认为是有道理的.2)反转起电过程.反转起电和正转起电的原理相同,但反转时(以图2情况为例),由于开始带正电荷的是P 盘的A 区铝箔,在静电感应的作用下,p 盘的d 区和b 区铝箔分别带负电荷和正电荷,而P 盘的C 区铝箔则带上负电荷,结果反转180°后便形成图5所示的电荷分布.4.2 感应起电机的集电原理1)正转集电过程.如图4所示,在左边扇区,当内、外起电盘上均带正电荷的铝箔同时相向经过集电梳E 1时,由于静电感应使E 1感应出负电荷,而与E 1相连接的放电球T 1(下称T 1)和莱顿瓶(下称C 1)内则被感应出正电荷,E 1感应出的负电荷又聚集在电梳尖端而形成电晕放电,结果使正电荷储集在T 1和C 1上,而经过E 1后带正电荷的铝箔则继续旋转,旋转到与电刷接触时,铝箔所带的正电荷则与导电杆另端电刷接触的铝箔所带的负电荷中和,当有带正电荷的铝箔持续经过E 1时,T 1和C 1就能不断地储集正电荷.同理,同时在右边扇区内、外起电盘上均带负电荷的铝箔持续经过E 2后,使T 2和C 2内不断地储集负电荷.当C 1和C 2处储集的正、负电荷不断增加,T 1和T 2之间的电压也随之升高,在电压达到T 1和T 2之间空气的击穿电压值时,T 1和T 2之间就会产生火花放电.值得一提的是:大多数文章(包括仪器说明书)认为左、右扇区的导电膜铝箔分别经过E 1和E 2时,铝箔上所带的电荷与集电梳感应出的异种电荷形成尖端放电而中和,使经过集电梳后的铝箔不再带电(呈现电中性),并以此推演下步的起电情况.这不仅与实验事实不相符,并且以此推演出起电机反转不起电的错误结论.2)反转集电过程.如图5所示,在左边扇区,当内、外起电盘上分别带负、正电荷的铝箔同时相向经过E 1时,由于静电感应使E 1两侧感应出正、负电荷,而与E 1相连接的T 1和C 1内也被被感应出正、负电荷,由于正、负电荷相互抵消,结果使T 1和C 1内无法储集电荷.同理,T 2和C 2也是无法储集电荷.起电机反转时,如果在上、下扇区安装有集电梳,跟“正转集电过程”相同,放电球和莱顿瓶便可“储集”到电荷,这在“实验探究”中已得到证实.文献[4]将J 2310型静电感应起电机的前后电刷位置顺时针旋转90°再固定,然后,使起电机反转才能起电(正转集电系统不能集电).根据上述起电原理和集电原理进行模拟推演,结果说明其起电情形跟电刷位置未改变时的正转起电完全相同,用数学语言来说是“负负得正”的结果.所以它不是J 2310型静电感应起电机真正意义上的反转起电.参考文献:[1] 张德新.静电感应起电机的起电原理[J ].教学仪器与实验,2007,23(12):24225.[2] 张德启,李新乡,陶洪.物理实验教学研究[M ].北62 物 理 实 验第29卷京:科学出版社,2005:1112112.[3] 崔峰.感应起电机反转不起电的原因释疑[J ].物理实验,2005,25(6):34235.[4] 崔璐,舒信隆.新型维氏起电机的研制与分析[J ].物理实验,2008,28(1):28230.[5] 陆荷琴.对感应起电机几个问题的分析[J ].技术物理教学,2004,12(1):21222.[6] 向德华.摩擦起电的几个问题[J ].物理教学探讨,1993,11(12):17218.Exploring the principle of Wimshurst electric m achineZHU Xiang 2yang 1,CU I Y ing 2zi 2(1.Xinfeng Middle School ,Xinfeng 341600,China ;2.Ganzhou No.3Middle School ,Ganzhou 341000,China )Abstract :This paper st udies t he experiment of elect ro static machines of t he influence type ,t he result s show t hat t he Wimshurst machine can p roduce statistic elect ricity ,no matter it is rotated clockwise or anticlockwise.The elect rostatic generation p rocess is analyzed.K ey w ords :electrostatic induction ;Wimshurst machine ;electro static p rinciple[责任编辑:尹冬梅](上接第21页)[6] 骆万发.物理实验教学改革的探索[J ].泉州师范学院学报,2007,25(3):12213.[7] 陈水桥,陈洪山.物理实验研究性课题式教学方法的实现与探讨[J ].物理实验,2008,28(6):18221.Construct ne w experimental curriculum system for modernphysics experiment 2reform and practiceSH EN Gui 2ping ,L UO Wan 2fa(Depart ment of Physics ,Xiamen University ,Xiamen 361005,China )Abstract :The reform and practice of const ructing new experimental curriculum system for mod 2ern p hysics experiment is discussed in t his paper.In t he new curriculum system ,experiment content is modularized ,and t he opening experimental teaching mode is adopted at t he same time by using t he met hod of “categorization and overall consideration ”.Furt hermore ,t he cultivation of basis knowl 2edge ,experimental skills and scientific research abilities for p hysical professionals are taken into ac 2count in t he const ruction of t his new modular curriculum system for modern p hysics experiment.K ey w ords :modern p hysics experiment ;teaching content ;teaching mode ;curriculum system[责任编辑:尹冬梅]72第8期 朱向阳,等:感应起电机起电原理的实验探究及其解释。
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。
开尔文电桥的实验报告
开尔文电桥的实验报告
《开尔文电桥的实验报告》
摘要：
本实验使用开尔文电桥测量了一个未知电阻的值。
实验结果表明，开尔文电桥
是一种精确测量电阻的工具，能够排除电缆电阻对测量结果的影响。
引言：
开尔文电桥是一种用来测量电阻值的仪器，它能够准确地排除电缆电阻对测量
结果的影响。
本实验旨在通过使用开尔文电桥测量一个未知电阻的值，验证其
测量精度和准确性。
实验方法：
1. 将开尔文电桥连接好，并调节至平衡状态。
2. 将未知电阻接入电路中，并调节滑动变阻器，使得电桥再次平衡。
3. 记录下电桥的平衡位置，以及滑动变阻器的位置。
4. 重复多次测量，取平均值作为最终测量结果。
实验结果：
通过多次测量，得到未知电阻的值为100Ω，测量精度为0.1Ω。
讨论：
实验结果表明，开尔文电桥能够准确地测量电阻的值，并排除电缆电阻对测量
结果的影响。
其测量精度高，结果可靠。
结论：
本实验通过使用开尔文电桥测量未知电阻的值，验证了其测量精度和准确性。
开尔文电桥是一种精确测量电阻的工具，能够排除电缆电阻对测量结果的影响，
具有重要的应用价值。
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。
(整理)开尔文法测电阻实验
实验１７用开尔文双电桥测低电阻单电桥桥臂上的导线电阻和接点处的接触电阻约为10-3Ω量级。
由于这些附加电阻与桥臂电阻相比小得多，故可忽略其影响。
但若用它测１Ω以下的电阻时，这些附加电阻对测量结果的影响就突出了。
开尔文双电桥可用于测量10-6Ω～１０Ω的电阻，有效地消减了附加电阻的影响。
【预习重点】（１）四端电阻的电流端和电压端的含义及其在电路中避免附加电阻影响的原理。
（２）双电桥测低电阻的原理和方法。
（３）ＡＣ１５／２型直流复射式检流计的使用（参阅本实验附录）。
【仪器】开尔文双电桥、直流稳定电源（该电源为稳压稳流电源，实验时按稳流源使用）、检流计、标准电阻、待测电阻等。
【原理】１）双电桥线路结构及消减附加电阻影响的原理图１７—１（ａ）、（ｂ）为双电桥线路结构及其等效电路。
双电桥在线路结构上与单电桥有两点显著不同：①待测电阻Ｒx和桥臂电阻ＲN（标准电阻）均为四端接法；②增加两个高阻值电阻Ｒ3、Ｒ4，构成双电桥的“内臂”。
图１７—１双电桥及其等效电路四端电阻外侧的两个接点称为电流端，通常接电源回路，从而将电流端的附加电阻折合到电源回路的电阻中。
图１７—１中，Ａ1、Ｃ1两接点的附加电阻折入了电源内阻。
Ｂ1、Ｂ3两接点用短粗导线相连，设Ｂ1、Ｂ3间附加电阻为ｒ。
后面将证明，若Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4及ＲN满足一定条件，即可消减ｒ对测量结果的影响。
四端电阻内侧的两个接点称为电压端，通常接高电阻回路或电流为零的补偿回路。
图１７—１中，Ａ2、Ｃ2端接触电阻分别并入Ｒ1、Ｒ2；Ｂ2、Ｂ4端接触电阻分别并入Ｒ3、Ｒ4。
由于Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4本身电阻很高，所以这些附加电阻对它们的影响甚微。
此外，电压端之间的部分即为低电阻本身，无另外的连接导线，故有效地消除了导线电阻的影响。
２）双电桥的平衡条件调节平衡，就是调节电阻Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4和ＲN，使Ｂ、Ｄ两处等电位，检流计电流Ｉg＝０。
由图１７—１（ｂ）中所示电流方向，考虑到Ｒ1>>ｒ1，Ｒ2>>ｒ2，Ｒ3>>ｒ3，Ｒ4>>ｒ4，可列出方程联立求解得（１７—１）双电桥在结构上尽量做到使上式第二项满足，故（１７—２）式（１７—２）就是双电桥的平衡条件。
多环开尔文滴水起电装置的设计
多环开尔文滴水起电装置的设计
赵丽特;李远兴;陈毅湛;罗仁华;陈树坚;邓伟豪;苏水兴;黄承涛
【期刊名称】《五邑大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(031)003
【摘要】为提高传统开尔文滴水起电装置的起电速率,通过增加导电环的个数,使单边导电环由单环变为2环、4环、9环,制成多环开尔文滴水起电装置,实验结果表明,改进后的多环开尔文滴水起电装置起电速率有较为明显的提高.
【总页数】4页(P39-41,61)
【作者】赵丽特;李远兴;陈毅湛;罗仁华;陈树坚;邓伟豪;苏水兴;黄承涛
【作者单位】五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020;五邑大学应用物理与材料学院,广东江门 529020【正文语种】中文
【中图分类】O4-33
【相关文献】
1.开尔文滴水起电机优化研究 [J], 袁伟丽;陈杏梅;苏艳霞;黄森;郭超明;李栋宇
2.开尔文滴水起电机的简易装置与实验研究 [J], 高朋;周腾蛟
3.开尔文滴水起电机的运行原理与改进研究 [J], 费贤翔;杨子拮;王文华
4.简易开尔文滴水起电机制作 [J], 彭爱华
5.开尔文滴水起电实验理论推导商榷 [J], 李惠玲; 卢幼纯; 廖春桃
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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累，结果提高了两铝锅之间的电位差，进而强化了静电感应．在这样一个正反馈过程中，水滴不断滴人两铝锅，使它们之间的电位差不断提高．其具体过程如下：由于空气中带电粒子在两铝锅上附着的涨落，设某一时刻的涨落使G铝锅的电位高于H铝锅的电位，由于金属圆筒E与H相连，金属圆筒F与G相连，使得C端尖部与D端尖部都受到静电场的作用．由于静电感应(可将水看作导体)，D 端尖部的水滴带负电，使C端尖部的水滴带正电．水滴在与尖端脱开时就分别带上少量的静电荷，下落的水滴携带电荷落入铝锅中，因此两铝锅所带的电荷量不断增多，电位差不断增大．这些电荷一到锅中就立即流向铝锅的外表面，连同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，这使两铝锅之间的电位差不断提高在理想状况下，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．3实验装置设计传统开尔文滴水起电机在我国南方较为潮湿的环境下的起电效果很不明显甚至不能起电，是由于在炎热、潮湿环境下，空气中携带了大量的正负离子，传统开尔文储水装置的表面完全暴露在这种富离子空气中，储水装置表面很容易与潮湿空气进行离子交换；并且带电水滴下落到储水装置这一过程中，带电水滴也很容易与富离子空气进行离子交换，从而很难观察到起电现象．因此，必须对传统装置进行改进，才能在潮湿炎热环境下观察到明显的静电效果，下面给出具体实验装置制作方法．3．1 实验材料细导线若干，烧杯2个，绝缘塑料筒2个，水槽1个，输液管2个，绝缘支架1个，有机玻璃板2块，泡沫板2块，食用盐若干等．3．2滴水装置溶液选择：在水中加入食盐若干作为滴液．储水装置A：可以选用有机玻璃方形槽，也可选用其他塑料储水装置．滴水管B和滴水开关：用2个一次性输液器作为滴水管B，利用一次性输液器的控制阀作为滴水开关．将一次性输液管的一端放入储水装置A中，利用虹吸原理将储水装置A中的水吸到滴水管B中，再通过滴水开关控制水的滴落速度．支架：实验室常用的支架稍作改装，就可以用作开尔文滴水起电机的支架．3．3感应线圈与盛水筒感应线圈：用细导线绕在绝缘塑料筒上，并将两端都多留出一截，分别伸人另一侧的盛水筒的液面下．调整线圈的位置使其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．在感应线圈的制作中，用的是带着绝缘皮的细导线，将细导线的两端直接伸人另一侧的接水桶中．盛水筒：直接利用大烧杯作为盛水筒，在大烧杯的底部放置金属丝，用于固定各连接线．实验前，倒人适量食用油，将金属丝淹没．用自制的绝缘感应线圈代替传统开尔文滴水起电装置的金属圆桶，用大烧杯代替铝锅，并在烧杯内倒入食用油等措施基本避免了金属圆筒、金属铝锅以及铝锅内水表面与潮湿空气接触，这些措施有效减小了装置表面与富离子潮湿空气的离子交换，并避免了金属圆筒、铝锅等表面毛刺导致的尖端放电，从而达到了减少漏电的目的．3．4绝缘底座做好本实验，底座的绝缘也很重要．在实验中，首先在绝缘支架的底座上放一有机玻璃板，再在玻璃板上放置泡沫板．实验过程中，要注意保持底座的干燥，不可使水溅到底座上．4实验结果与讨论将静电高压计与感应线圈连接，并利用摩擦起电机使接水筒带上少量电荷．由于我们设计的装置有效避免了与潮湿空气的接触，空气中带电粒子很难在两烧杯上附着形成涨落，所以需要人为加上电荷，让烧杯两端带上相反电荷．在实验室环境下(温度32℃，湿度34 )，慢慢调节控制阀，使滴水管口处形成水滴流，大约8 min后就可观察到水花飞溅，形成伞状，验电器指针偏转至极限位置不动．静电计的指针偏转到45。
左右，两接水筒之间电压约为9 kV．随着环境湿度的增大，达到最大静电压所需要的滴水时间增大，并且最大静电压减小．说明随着湿度增大，漏电增强．对于传统的开尔文静电起电机，当环境湿度超过25% 就很难得到明显的静电效果，改进后实验装置在空气湿度达70 %的环境下也能得到非常好的起电效果．经分析，我们认为这主要是由于改进后的装置有效避免了漏电和避免了装置与空气之间的离子交换，表现在以下几方面：4．1绝缘问题为使开尔文滴水起电机在潮湿的环境明显起电，须确保实验装置绝缘良好，才能减小漏电的可能性．制作开尔文滴水起电机面临的绝缘问题主要包括感应线圈和接水桶与地之间的漏电，感应线圈和接水桶与潮湿空气之间的离子交换，接水桶水面与潮湿空气的离子交换．实验所用的感应线圈是带着绝缘皮的电线，将电线的两端直接伸人另一侧接水桶．用烧杯代替传统的铝锅，并在烧杯内倒人食用油，这些措施有效减小了设备表面与潮湿富离子空气的离子交换．采用了绝缘底座上放有机玻璃板和泡沫板的方法，并且容器本身就是具有良好绝缘的烧杯，这样也大大减小了设备与地之间漏电的可能性．因而，该装置在潮湿的环境下起电效果也很明显．4．2尖端放电问题为了避免尖端放电，需要尽量减少毛刺和尖端．与传统的设计相比，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，感应圈引线的两端伸入水中，不会因击穿空气而放电，唯一可能引起尖端放电的就是静电计的尖端．4．3水滴速度的调节技巧将水滴调节到合适的状态，会大大提高起电的速度．调节时需要注意，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；水滴流速太慢，会降低静电感应的效率，迟迟看不到效果．可以先把水滴调成线流，然后慢慢调节控制阀使之刚好成为水滴流即可．4．4其他因素增加溶液的离子浓度(例如加入适量食盐等)可以提高水滴离子浓度，从而提高带电量，这样能快速获得静电高压，并且获得的静电压也更高．5 结束语影响开尔文滴水起电机起电效率的关键在于系统漏电与电荷积累速度之间的关系．为了让开尔文滴水起电机能在潮湿的环境下明显起电，应当尽量减少漏电的可能性．通过使用绝缘线圈代替金属圆筒、大烧杯代替铝锅、烧杯内倒人适量食用油以及在溶液中加入少量食盐等措施，改进后的滴水起电机能够适用南方潮湿、高温的环境，并能迅速得到高压静电，实验效果非常明显．。