趙麗特，李遠(yuǎn)興，陳毅湛，羅仁華，陳樹堅(jiān)，鄧偉豪，蘇水興，黃承濤

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多環(huán)開爾文滴水起電裝置的設(shè)計(jì)

趙麗特，李遠(yuǎn)興，陳毅湛，羅仁華，陳樹堅(jiān)，鄧偉豪，蘇水興，黃承濤

（五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020）

為提高傳統(tǒng)開爾文滴水起電裝置的起電速率，通過增加導(dǎo)電環(huán)的個(gè)數(shù)，使單邊導(dǎo)電環(huán)由單環(huán)變?yōu)?環(huán)、4環(huán)、9環(huán)，制成多環(huán)開爾文滴水起電裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的多環(huán)開爾文滴水起電裝置起電速率有較為明顯的提高.

開爾文滴水起電裝置；多環(huán)；起電速率

傳統(tǒng)開爾文滴水起電機(jī)是英國科學(xué)家開爾文于1867年發(fā)明的一種靜電產(chǎn)生裝置，它的原理為通過靜電感應(yīng)和正反饋調(diào)節(jié)，能在短時(shí)間內(nèi)形成的高壓并擊穿空氣，產(chǎn)生放電現(xiàn)象[1]. 該裝置具有巨大的應(yīng)用潛力，可用于靜電除塵、分子極化、教學(xué)演示等[2-3]. 但實(shí)驗(yàn)時(shí)受環(huán)境濕度等多種因素影響，傳統(tǒng)的開爾文滴水起電裝置起電效果不理想[4-5]. 本文在傳統(tǒng)開爾文起電裝置的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地增加導(dǎo)電環(huán)個(gè)數(shù)，研究裝置中多環(huán)對起電速率的影響.

1 原理及亮點(diǎn)

開爾文裝置原理如圖1，由儲(chǔ)水器A、開關(guān)B、滴水孔C和D、感應(yīng)導(dǎo)電環(huán)E和F、接水桶G和H、放電尖端M和N及導(dǎo)管、導(dǎo)線若干組成，E與H、F與G分別相連. 由于水在導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生沖流電流[6]，使得從滴水孔C、D流出的水滴帶電. 假設(shè)某一時(shí)刻經(jīng)過C孔的水滴帶正電荷，則電荷隨水滴落入G中，使F也帶有正電荷，F(xiàn)帶電后產(chǎn)生的電場會(huì)吸引D中負(fù)電荷向下運(yùn)動(dòng)，隨水滴一起滴落H中，使得E帶負(fù)電，C中正電荷被吸引向下運(yùn)動(dòng)，與水滴一同滴入G中，同時(shí)C、D中被向上排斥的正負(fù)電荷在導(dǎo)管內(nèi)相遇而中和，這樣EH、FG構(gòu)成一個(gè)正反饋感應(yīng)系統(tǒng)，靜電感應(yīng)不斷加強(qiáng)，電荷迅速積累，放電尖端M、N短時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象.

多環(huán)開爾文滴水起電裝置與傳統(tǒng)裝置的起電原理基本一致，其亮點(diǎn)在于每個(gè)環(huán)產(chǎn)生的靜電場會(huì)對附近的導(dǎo)電環(huán)產(chǎn)生積極影響[7]，達(dá)到增強(qiáng)導(dǎo)電環(huán)靜電場的效果，從而使整個(gè)裝置的正反饋調(diào)節(jié)更快、更強(qiáng). 多環(huán)開爾文起電裝置中的九環(huán)示意圖如圖2所示.

圖1 開爾文滴水起電原理圖

圖2 九環(huán)示意圖

2 多環(huán)滴水起電裝置

圖3 2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)部分實(shí)物圖

導(dǎo)電環(huán)的制作：根據(jù)田得良等[8]的研究，將銅絲緊繞在口徑的PVC管上制成導(dǎo)電環(huán)，銅絲外繞絕緣膠帶保護(hù)，銅絲通過導(dǎo)線、鱷魚夾和下面的金屬桶相連. 其中2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)部分在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可整體互相替換，方便進(jìn)行不同環(huán)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)物圖如圖3所示.

接水桶的制作：將導(dǎo)線焊接在金屬桶桶壁，將尖端和毛刺磨平，外桶壁用絕緣膠帶密封. 接水桶上端口放透明薄板做成的圓柱壁，用來防止水外濺，以保持裝置干燥性[9].

儲(chǔ)水器的制作：用亞克力板、玻璃膠拼接粘合而成，呈長方體. 儲(chǔ)水器通過水管與自來水相連，在實(shí)驗(yàn)過程中通過控制自來水水流大小，保持儲(chǔ)水器液面高度（如圖1）不變.

裝置的出水系統(tǒng)：通過導(dǎo)管與儲(chǔ)水箱相接，由8個(gè)開關(guān)、18個(gè)銅油嘴及導(dǎo)管有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成，可使每個(gè)噴嘴的出水速度可調(diào)，可在同一裝置進(jìn)行單環(huán)、2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)實(shí)驗(yàn).

整個(gè)裝置各部分左右上下可調(diào)，方便進(jìn)行不同要求、不同條件下的實(shí)驗(yàn). 實(shí)物圖及3D模擬圖如圖4、圖5所示.

圖4 多環(huán)開爾文滴水起電裝置實(shí)物圖

圖5 多環(huán)開爾文滴水起電裝3D圖

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)在專用實(shí)驗(yàn)室的固定位置進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中使用空調(diào)保持環(huán)境溫度不變，使用抽濕機(jī)保持環(huán)境濕度60%不變. 周圍無其他儀器，保持環(huán)境電磁場不變，且無空氣擾動(dòng)的影響. 據(jù)顏君等[10]研究，實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過保持儲(chǔ)水器液面高度不變，調(diào)節(jié)出水口分開關(guān)，將每個(gè)滴水孔的流速控制在200滴/min，控制滴水孔最低端與導(dǎo)電環(huán)最高端垂直距離（如圖1中所示）為，使水滴穿過導(dǎo)電環(huán)中心后落入接水桶[11].

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程只改變環(huán)的個(gè)數(shù)（通過更換分開制作的2環(huán)、4環(huán)和9環(huán)導(dǎo)電環(huán)部分），更換過程中不影響其他實(shí)驗(yàn)參數(shù). 實(shí)驗(yàn)時(shí)打開水箱下開關(guān)B后，起電過程迅速進(jìn)行，表現(xiàn)為水滴在下落過程中由直線下落變成弧形下落，并產(chǎn)生水霧向四周分散，放電尖端M、N在內(nèi)開始放電，內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定放電狀態(tài). 待放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，開始測量數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)如表1.

表1 不同環(huán)數(shù)的開爾文滴水起電裝置的放電速率數(shù)據(jù)表（流速：200滴/min 溫度：25℃ 濕度：60%）

4 結(jié)語

本文改進(jìn)了開爾文滴水起電裝置，通過在結(jié)構(gòu)上創(chuàng)造性的增加導(dǎo)電環(huán)個(gè)數(shù)，制成多環(huán)開爾文滴水起電裝置，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，得到2環(huán)、4環(huán)、9環(huán)裝置的平均起電速率，發(fā)現(xiàn)增加環(huán)數(shù)能有效提高滴水裝置的起電速率，這不僅優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)裝置，而且為后續(xù)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，使開爾文滴水起電裝置從實(shí)驗(yàn)室走向生活、走向應(yīng)用的設(shè)想成為可能.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Design of Multiple-Ring Kelvin Dripping Devices

ZHAOLi-te, LIYuan-xing, CHENYi-zhan, LUORen-hua, CHENShu-jian, DENGWei-hao,SUShui-xing, HUANGCheng-tao

(School of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to improve the electrification rate of the traditional Kelvin dripping device, the number of unilateral conductive rings is increased from single ring to double rings, four rings and nine rings, resulting in multiple-ring Kelvin dripping devices, which significantly improves the electrification rate of Kelvin dripping devices.

Kelvin dripping device; multiple ring; electrification rate

1006-7302（2017）03-0039-03

O4-33

A

2017-01-20

廣東省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（2015KCXTD027）；五邑大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（2015zk13，2016zk07）；江門市基礎(chǔ)與理論科學(xué)研究類科技計(jì)劃項(xiàng)目〔2016〕189號(hào)；2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201611349062）.

趙麗特（1979—），女，山西晉城人，講師，碩士，研究方向?yàn)槲锢斫逃凸δ鼙∧げ牧?