曾育鋒,黃少端,李曉漫,吳 純,曾顯華,王承龍

(華南師范大學(xué),廣東廣州 510006)

開(kāi)爾文滴水起電器的探究與應(yīng)用
——靜電除塵器以及電介質(zhì)極化模型

曾育鋒,黃少端,李曉漫,吳 純,曾顯華,王承龍

(華南師范大學(xué),廣東廣州 510006)

基于開(kāi)爾文滴水器的基本原理,通過(guò)探究放電現(xiàn)象的影響因素,從不同的方面研究相關(guān)物理機(jī)制和影響因素并進(jìn)行定量分析,進(jìn)一步改善裝置,達(dá)到加快電荷積累速度的效果,并做應(yīng)用拓展——制作靜電除塵器和由無(wú)極分子組成的電介質(zhì)在外電場(chǎng)中極化的教具模型。

開(kāi)爾文滴水起電器;靜電除塵器;電介質(zhì)極化模型

開(kāi)爾文滴水器(Kelvin Water Drop),是英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文男爵于1867年所發(fā)明的一種靜電產(chǎn)生裝置。開(kāi)爾文滴水器是借助帶電水滴轉(zhuǎn)移積累電荷的靜電起電的裝置,能形成很強(qiáng)的靜電感應(yīng),電荷積累量隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng),會(huì)很快建立起一萬(wàn)五千伏以上的高電壓,擊穿空氣,產(chǎn)生放電現(xiàn)象。但由于受到很多影響因素的干擾,如空氣濕度,放電的效果并不理想。本文探究了開(kāi)爾文滴水器傳統(tǒng)裝置的改進(jìn)方法,并進(jìn)一步設(shè)計(jì)靜電除塵器及電介質(zhì)極化模型的應(yīng)用方案。

1 基本原理

1.1 開(kāi)爾文滴水器原理

開(kāi)爾文滴水器裝置示意圖如圖1所示,水滴可能偶然地把極微量的電荷帶給儲(chǔ)水罐,造成儲(chǔ)水罐帶有微量電荷。任何一個(gè)儲(chǔ)水罐獲得少量的不平衡電荷,都會(huì)在兩個(gè)儲(chǔ)水罐之間形成微弱電勢(shì)差,就足以開(kāi)始對(duì)兩個(gè)儲(chǔ)水罐形成電容器充電過(guò)程,即電荷積累過(guò)程。由于靜電感應(yīng)作用,以及裝置所形成的正反饋機(jī)制,電荷積累量隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng),能很快在儲(chǔ)水罐之間建立起一萬(wàn)五千伏以上的高電壓,在儲(chǔ)水罐或環(huán)之間會(huì)擊穿空氣,產(chǎn)生放電現(xiàn)象[1-4]。

圖1 開(kāi)爾文滴水器裝置圖

1.2 靜電除塵原理

靜電除塵器是利用強(qiáng)電場(chǎng)使氣體電離,使得氣流中的塵粒與自由電子、負(fù)離子碰撞而結(jié)合在一起,形成粉塵荷電。在電場(chǎng)力的作用下,荷電粉塵向電極移動(dòng),最后粉塵將會(huì)從氣體中被分離出來(lái),達(dá)到除塵效果[5-7]。

1.3 由無(wú)極分子組成的電介質(zhì)在外電場(chǎng)中極化的原理

由無(wú)極分子組成的電介質(zhì),因?yàn)槊總€(gè)分子都無(wú)電性,故整個(gè)電介質(zhì)不產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)介質(zhì)處在外場(chǎng)源產(chǎn)生的電場(chǎng)中,無(wú)極分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心分別受到相反方向的作用力,結(jié)果正負(fù)電荷中心被拉開(kāi)一定的距離,形成一個(gè)電偶極子,具有一定的電矩,電矩的方向與外電場(chǎng)的方向相同,這就是由無(wú)極分子組成的介質(zhì)的極化[8-10]。

1.4 單片機(jī)計(jì)時(shí)原理

如圖2感應(yīng)圈F上有一金屬鋁箔,當(dāng)F帶電后,由于帶同種電荷,金屬箔會(huì)“飄”起來(lái),且到達(dá)紅外傳感器的感應(yīng)范圍,紅外傳感器將向單片機(jī)發(fā)出信號(hào),數(shù)碼管顯示數(shù)值,示意圖如圖3[11-13]。

圖2 放電時(shí)間-h2高度關(guān)系圖

圖3 帶充足電荷的狀態(tài)

2 開(kāi)爾文滴水器優(yōu)化探究

2.1 優(yōu)化裝置圖

傳統(tǒng)的開(kāi)爾文滴水器裝置容易受到很多影響因素的干擾,放電的效果并不理想。實(shí)物裝置圖如圖4所示,裝置示意圖如圖5所示,其中h1為金屬圈上端到滴水口的高度;h2為金屬圈下端到接水瓶瓶底的高度。

圖4 實(shí)物裝置圖

圖5 放電裝置圖

2.2 探究各物理機(jī)制,優(yōu)化放電效果

放電時(shí)間間隔是衡量放電效果的重要因素。時(shí)間間隔短,即放電效果好。反之亦然。

(1)高度h1對(duì)放電效果的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試,放電時(shí)間與高度h1的關(guān)系圖如圖6所示。如圖可知,高度h1影響電荷的積累,h1為0時(shí),即水滴的初始位置緊貼感應(yīng)線圈口時(shí),放電效果最優(yōu)。

圖6 放電時(shí)間-h1高度關(guān)系圖

(2)高度h2對(duì)放電效果的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試,放電時(shí)間與高度h2的關(guān)系圖如圖7所示。如圖可知,高度h2對(duì)放電效果影響不大。

圖7 放電時(shí)間-h2高度關(guān)系圖

(3)滴水管C、D的數(shù)量對(duì)放電效果的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試,放電時(shí)間與滴水管數(shù)量關(guān)系圖如圖8所示。如圖可知,滴水管數(shù)量影響放電效果,當(dāng)數(shù)量達(dá)到7以上,其影響程度不大。

圖8 放電時(shí)間-滴水管數(shù)量關(guān)系圖

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試,滴水器裝置的 h1為0 cm,h2為20.5 cm,滴水管出口C、D直徑為1mm,數(shù)量為7根時(shí),放電效果最明顯。

3 拓展應(yīng)用

3.1 靜電除塵裝置

靜電除塵裝置示意圖如圖9。利用廣口瓶收集煙塵,將兩引線分別與兩個(gè)感應(yīng)圈相連接,實(shí)物圖如圖10所示,參照瓶和測(cè)試瓶。幾秒之后,煙塵基本除去。

圖9 靜電除塵示意圖

圖10 靜電除塵實(shí)物圖

3.2 極化模型

用木板做一個(gè)正方體框架C,左右兩側(cè)分別架上金屬板A和金屬板B,在木板懸掛的繩上懸掛兩端有石蠟的小木桿,模擬為無(wú)極分子。實(shí)物圖如圖11所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)無(wú)極分子模型行數(shù)為2,列數(shù)為4,每列木條個(gè)數(shù)為5時(shí),作為教具模型效果較好。

4 結(jié) 論

依據(jù)實(shí)驗(yàn)探究,優(yōu)化了傳統(tǒng)的開(kāi)爾文滴水器裝置,選取最優(yōu)的參數(shù),增強(qiáng)放電效果。利用優(yōu)化的開(kāi)爾文滴水器得到強(qiáng)電場(chǎng)制作靜電除塵器,可用于靜電除塵的原理演示,甚至可以通過(guò)改進(jìn),用于除去空氣中的塵埃,具有應(yīng)用前景。制作由無(wú)極分子組成的電介質(zhì)在外電場(chǎng)中極化的模型教具,可用于教學(xué),幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

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The Exploration and App lication of Kelvin W ater Drop——Manufacturing Electrostatic Precipitator and the Model of Dielectric Polarization

ZENG Yu-feng,HUANG Shao-duan,LIXiao-man,WU Chun, ZENG Xian-hua,WANG Cheng-long
(South China Normal University,Guangdong Guangzhou 510006)

Based on the fundamental principle of Kelvin Water Drop,the experiment is improved after exploring the physicalmechanisms and factors in differentways,so that the charges can engender and accumulate quickly.The improved experiment is used formanufacturing electrostatic precipitator and themodel of dielectric polarization.

Kelvin water drop;electrostatic precipitator;themodel of dielectric polarization

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.007

1007-2934(2015)06-0024-04

2015-07-28