流水起电装置实验指导说明书 暗影行者.docx

基于静电感应原理的流水起电装置（实验指导说明书）太原科技大学应用科学学院大学物理实验中心目录一、引言1二、实验器材1三、实验原理2四、实验过程3五、实验结果3六、注意事项4一、引言基于静电感应原理的流水起电装置是凭借带电水滴转移和积累电荷的静电起电装置，其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。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，该起电装置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。麦克斯韦曾说过，实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，此实验的特点是成本低廉、材料易得、加工简单，旨在培养学生动手能力和深刻理解电荷的产生、聚集以及感应起电的原理。二、实验器材顶部绝缘水箱 1个铜质导电环（桶、线圈） 2个绝缘小桶 2个带开关的导水管 2个导线 2根万用表 1台实物装置图：三、实验原理该起电装置是根据静电感应原理使水滴带电起电的，它是借助带电水滴转移和积累电荷的静电起电装置。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。此装置的每一部分开始时几乎都不带电，由于水中有正负离子(正负电荷)的存在，下落的水流（或水滴）可能偶然地把极微量的电荷带给金属水桶(盆)，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，就足以开始正反馈的充电过程。其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，水滴不断滴入两铝锅，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人铝锅中，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。假设左边桶获得正电荷，则与之相连的右边导电环也有一定的正电荷。由于静电感应作用，右手导电环上的正电荷会吸引负电荷到右边的水流中。右边的水滴会携带负电荷下落滴到右边的桶内，使右边桶所带的负电荷增加积累，从而又会使左边的导电环也带负电，它将会吸引正电荷到左边的水流中。当水滴落到桶内，他们各自携带的正负电荷就会转移到桶上并积累起来，这个正反馈过程将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，循环进行，电荷分离速度逐步加快，电荷积累量随时间呈指数增长，短时间内便能在两金桶之间建立起高电压。最后，当两个金属水桶之间达到高电压时，就会看到水流由于导电环的极化作用而散开，同时用万用表测出的电压数值不断上升，并最终达到一动态平衡值。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。四、实验过程关闭开关，往储水装置中加满清水（盐水更好，请考虑为什么）。打开开关，将水流控制到合适的流速，并使其从导电环中心流下。仔细观察水流的形状和万用表中电压的数值。实验结果俯视图 被极化的水流侧视图 被极化后散开的水流上升的电压数值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