開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的改進(jìn)與應(yīng)用

姜祖國(guó) 胡尊山

(江蘇省沭陽(yáng)高級(jí)中學(xué),江蘇 沭陽(yáng) 223600)

開(kāi)爾文滴水起電機(jī)的傳統(tǒng)裝置滴水速度慢、水流細(xì)等原因?qū)е路e累電荷慢,受濕度影響大,實(shí)驗(yàn)效果差.針對(duì)以上情況,筆者進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn),改進(jìn)裝置,著重解決以下問(wèn)題:(1) 快速起電.做到不受尖端放電、空氣潮濕等影響而快速積累大量電荷,實(shí)驗(yàn)時(shí)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生靜電.(2) 拓展實(shí)驗(yàn).將裝置作為高壓電源,完成靜電飛花、火花放電、靜電擺、靜電風(fēng)輪等各種高壓靜電實(shí)驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 起電機(jī)裝置圖

起電機(jī)的起電原理是感應(yīng)起電,如圖1所示,從同一水源流出的水經(jīng)過(guò)兩感應(yīng)線圈落入下方的儲(chǔ)水容器,兩個(gè)感應(yīng)圈與其下方的儲(chǔ)水容器用導(dǎo)線進(jìn)行交叉連接,形成正反饋.水中含有微弱的正負(fù)電荷,當(dāng)兩管道中有水流下,通過(guò)感應(yīng)圈落入下方儲(chǔ)水容器時(shí),由于靜電感應(yīng),將使感應(yīng)圈A及與之相連的儲(chǔ)水容器D帶上同種電荷,同時(shí)另一感應(yīng)圈B及與之相連的儲(chǔ)水容器C將帶上與A、D相反的異種電荷.當(dāng)水持續(xù)流動(dòng)時(shí)在兩感應(yīng)圈及與之相連的容器上不斷積累電荷,產(chǎn)生高壓.

2 所需的材料及工具

電木板、塑料水桶、導(dǎo)水管、304不銹鋼感應(yīng)圈2個(gè)、導(dǎo)線、水泵、304不銹鋼金屬盆2個(gè)、鋁箔紙、透明亞克力管(1000×50、1000×40各2根)、304不銹鋼板、黃銅片等材料.

3 裝置結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)包含以下幾個(gè)主要部分:框架(透明塑料管架、電膠木板底座、彎頭塑料管等);供水系統(tǒng)(含電動(dòng)水泵、水桶、塑料透明輸水軟管);起電系統(tǒng)(感應(yīng)圈、反饋導(dǎo)線、不銹鋼儲(chǔ)水容器及支架);靜電演示設(shè)備(放電器、靜電風(fēng)輪及其支架、靜電擺球等),裝置成品如圖1所示.

4 制作過(guò)程

4.1 框架的制作

用電膠木板制作底座(1000×260×10),在電膠木板底面的4個(gè)角安裝4個(gè)橡膠腳墊,上面兩端安裝兩個(gè)不銹鋼法蘭盤(pán)用于固定透明亞克力管支架.亞克力粗管(1000×50×44×3)、細(xì)管(1000×40×32×3)各兩根,細(xì)的能在粗的管內(nèi)滑動(dòng),用于調(diào)節(jié)高度,用PVC轉(zhuǎn)接頭(50&40,上有不銹鋼堅(jiān)固圈)連接與緊固,上端橫梁亦用亞克力管(840×40×32×2)連接.

4.2 導(dǎo)水管(內(nèi)6外8)的連接

圖2 框架主件圖

在亞克力管的底端鉆一個(gè)小孔,穿入軟水管,管端接塑料彎頭,上端從橫梁上穿出,用螺母固定,作為出水口,如圖2所示.

4.3 感應(yīng)圈的制作

取2個(gè)304不銹鋼管,鋼管直徑100 mm,截取120 mm長(zhǎng)度作為感應(yīng)線圈,通過(guò)亞克力管及塑料套件連在豎立的框架上,如圖2所示.

4.4 緊鎖套管的制作

用帶鋸在PVC轉(zhuǎn)接頭的管上鋸出十字形縫,用激光切割機(jī)切割304不銹鋼板條(160×6×1)兩根,用鉗子折彎,用螺絲鎖緊,如圖2所示.達(dá)到感應(yīng)圈、外框支架高度均可調(diào).

4.5 接水容器支架的制作

為了絕緣,用PVC塑料管和亞克力板材制作支架,高度600 mm.

4.6 儲(chǔ)水容器制作

半球形304不銹鋼容器,上邊用美工刀背刮除棱角,之后用海綿砂紙打磨圓滑,防止尖端放電.

4.7 感應(yīng)圈與外框支架之間連接桿的制作

在電腦上作圖,用激光雕刻機(jī)切割厚8 mm的亞克力板材作為感應(yīng)圈的固定臂,用帶鋸截取直徑25 mm、長(zhǎng)135 mm亞克力管作為連接桿,分別在相應(yīng)位置打孔,用304不銹鋼螺絲固定.

綜合理論與現(xiàn)狀分析，課題組對(duì)創(chuàng)新學(xué)習(xí)指導(dǎo)課、創(chuàng)新學(xué)習(xí)課堂教學(xué)模式、學(xué)生小課題研究和創(chuàng)新學(xué)習(xí)策略等具體實(shí)施策略在較大范圍內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并不斷進(jìn)行論證優(yōu)化。為了取得更好的效果，我們既開(kāi)設(shè)了專業(yè)的創(chuàng)新學(xué)習(xí)課，也設(shè)置了學(xué)科滲透課，并舉行了學(xué)生創(chuàng)新成果大賽。從實(shí)驗(yàn)學(xué)校和實(shí)驗(yàn)學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，按照教學(xué)規(guī)律，我們?cè)O(shè)計(jì)出創(chuàng)新學(xué)習(xí)的課程，在初始年級(jí)實(shí)驗(yàn)班級(jí)中開(kāi)設(shè)，數(shù)十萬(wàn)名學(xué)生使用，每周一節(jié)，排進(jìn)課表，小學(xué)為小課，20分鐘。初高中為40分鐘，實(shí)驗(yàn)學(xué)校在重慶有450多所，在廣東、黑龍江、新疆等10多個(gè)省、直轄市、自治區(qū)有近500所。

4.8 葉輪及導(dǎo)電支架的制作

圖3

在電腦上用CDR軟件作圖,用激光切割機(jī)切割304不銹鋼板條(100×6×1)2根,用鉗子將兩端分別折彎成如圖3所示,并分別在折彎短的一端固定一根長(zhǎng)8 cm的針.再設(shè)計(jì)兩端為尖端的葉輪兩根,用激光切割機(jī)切割完畢,在中間打孔固定支撐點(diǎn),再分別將葉輪彎曲成如圖3所示形狀.

4.9 放電器制作

圖4

在電腦上用CDR軟件作圖,用激光切割機(jī)切割304不銹鋼板(厚1.0 mm),用老虎鉗折彎成如圖4所示形狀.

4.10 靜電擺球的制作

圖5

用錫箔紙包在泡沫球上,用膠水粘好,再穿上塑料絲線和掛鉤;在電腦上設(shè)計(jì)碰撞電極,用激光切割機(jī)切割304不銹鋼板(厚1.0 mm),用老虎鉗折彎成如圖5所示形狀.

4.11 組裝

把各組件組裝成完整起電裝置,如圖1所示.

5 起電速度的影響因素及研究結(jié)論

5.1 流水速度與水流粗細(xì)

水流速度直接影響起電效果,有的研究結(jié)論是:將軟管接到上面的水箱里,用閥門(mén)控制滴水速度,水流不能太快也不能太慢,將水滴控制在即將形成線性水流的狀態(tài),太快形成水流易引起短路,太慢積累電荷慢,起電時(shí)間長(zhǎng).

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),改滴水為流水,粗且流速快的水流起電速度更快.把傳統(tǒng)裝置的水箱滴水轉(zhuǎn)換為通過(guò)一個(gè)三通將抽水機(jī)從桶中抽取的水分流到兩個(gè)出水管道,啟動(dòng)抽水機(jī),只需幾秒即發(fā)生起電現(xiàn)象.

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),水流的粗細(xì)及長(zhǎng)度要滿足一定關(guān)系才能快速起電.用抽水機(jī)抽水,增大流速,水從出水口流出,由于重力作用,下方的速度比上方的要快,通過(guò)調(diào)節(jié)出水管口與接水容器之間的距離,50 cm以上可避免短路現(xiàn)象.

5.2 感應(yīng)圈

感應(yīng)圈既可用銅導(dǎo)線繞制,也可以用不銹鋼管做成.經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):圈的直徑大小要適當(dāng),不能太小也不能太大,一般以直徑100 mm左右,長(zhǎng)度120mm左右為宜,直徑太小,長(zhǎng)度太長(zhǎng),水花易濺到上面形成短路現(xiàn)象.

5.3 儲(chǔ)水容器

儲(chǔ)水容器的導(dǎo)電性能沒(méi)有要求,既可用導(dǎo)電的不銹鋼,也可用塑料容器.如果用塑料容器,與感應(yīng)圈連接的反饋導(dǎo)線的線頭要與容器里面的水相接觸,最好放在容器底部.如果是不銹鋼容器,只要導(dǎo)線與容器相連即可.

5.4 反饋導(dǎo)線

只有反饋導(dǎo)線交叉連接且做到線間的絕緣,水流經(jīng)過(guò)感應(yīng)圈落入儲(chǔ)水容器后才能引起感應(yīng)起電.

5.5 水的鹽度

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):用自來(lái)水做實(shí)驗(yàn),效果明顯,用鹽水做,起電速度沒(méi)有明顯提升,因此水的鹽度對(duì)本實(shí)驗(yàn)影響不大.

5.6 水源

用一臺(tái)水泵抽水,通過(guò)三通分流到兩出水管道或者在兩出水管道分別用兩臺(tái)水泵,抽取同一水源的水,起電速度快.若用兩臺(tái)水泵抽取不同水源的水,也有靜電產(chǎn)生,但實(shí)驗(yàn)效果沒(méi)有連接一個(gè)水源的效果好.因此,進(jìn)入兩水管的水需接同一水源.

6 注意事項(xiàng)

該裝置產(chǎn)生的電壓很高,為防止觸電,實(shí)驗(yàn)中禁止身體與設(shè)備導(dǎo)電部分直接接觸,每次操作結(jié)束都要用放電針把靜電放掉.

7 拓展實(shí)驗(yàn)

7.1 靜電飛花與火花放電

圖6

圖7

如圖6所示,在兩感應(yīng)圈上分別安裝放電針,打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān),水流通過(guò)感應(yīng)圈.幾秒后,水流散開(kāi),水花向四周飛濺,形狀猶如一束帶靜電的絲線排斥散開(kāi),近距離觀察,甚至發(fā)現(xiàn)感應(yīng)圈下端口的小水珠飛入感應(yīng)圈上端口的情況.兩放電針間出現(xiàn)閃亮的電弧,長(zhǎng)度達(dá)到15 mm,伴隨著啪啪的放電聲.

7.2 靜電擺與靜電風(fēng)輪

如圖7所示,安裝好葉輪并裝在感應(yīng)圈上,把錫箔紙做的小球懸掛在兩感應(yīng)圈中間.當(dāng)水泵開(kāi)關(guān)接通,水流流過(guò)感應(yīng)圈,幾秒鐘后,水流散開(kāi),小球在兩感應(yīng)圈之間快速振蕩起來(lái),與感應(yīng)圈碰撞發(fā)出啪啪聲;同時(shí)葉輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),且越轉(zhuǎn)越快.

8 創(chuàng)新之處

(1) 用電動(dòng)水泵供水,變滴水為流水.改進(jìn)后可把水箱放在地上,減少設(shè)備架設(shè)高度,降低重心,可增加支架的穩(wěn)定性.(2) 增強(qiáng)可視性.支架、外殼等用透明亞力克材料制成,絕緣性能好,可視性高,設(shè)備可調(diào),方便探究影響產(chǎn)生靜電的因素.(3) 添加接水盆支架.添加接水盆支架,可有效避免接水桶間漏電.(4) 拓展應(yīng)用.通過(guò)調(diào)節(jié)水流流速及水流長(zhǎng)度,縮短起電時(shí)間,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果,使實(shí)驗(yàn)不受濕度、地域等因素影響.本裝置作為高壓電源能輕松完成多種高壓靜電實(shí)驗(yàn).