感应起电

第２５卷第３期

２０１２年６月

大学物理实验

ＰＨＹＳＩＣＡＩ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ０Ｆ Ｃ０ＬＬＥＧＥ

Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３

Ｊｕｎ．２０１２

文章编号：１００７—２９３４（２０１２）０３—００６０—０５

滴水感应起电仪的实验及其改进研究

颜君，刘璐，段涛，张自立

（中国地质大学，北京１０００８３）

摘 要：滴水自激感应起电仪，即开尔文滴水感应起电仪，是利用水滴流动与玻璃管摩擦起电，并

静电感应循环累积电荷而产生越来越高的电位差的静电起电装置。本文通过对装置的系统划分，研究

各部分对最终起电现象的影响，主要在漏电测试、电荷累积测量和仪器装置材料更换等方面来改进仪器

装置。经过实验改进后，开尔文滴水感应起电仪的起电效果明显，现象稳定。

关键词：Ｋｅｌｖｉｎ滴水感应；累积效应；静电感应；起电仪；改进研究

中图分类号：０４—３３ 文献标志码：Ａ

滴水自激感应起电仪是通过水滴流动与玻璃

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

电起电装置Ｅｌｉ。

仅用几个罐子和几根电线和滴管组合就能做

成开尔文滴水感应起电机［２］，但是缺乏量化的实

验研究，且实验现象往往不稳定，无法准确地估计

实验效果，同时对于感应起电的机理缺乏统一的

认识。为了使实验效果更佳，理论解释更清晰，本

文从装置的漏电测试、电荷累积测量和材料更换

等方面进行了实验，改进了开尔文滴水感应起电

仪，使其能稳定地累积电荷，实验现象十分明显。

在对实验数据的分析、归纳、总结的基础上，本文

给出了滴水感应起电原理合理的解释。

１实验原理

在１８６１年，英国科学家Ｋｅｌｖｉｎ发明了一种

水滴流起电机。这是一个相当简单而又长期使人

迷惑不解的实验装置［３］。

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 、Ｂ ，水沿导管分别至Ｃ端

和Ｄ端接有能控制水流的卡子，下面再各接一个

玻璃锥形管，可使水滴从尖端向下滴，Ｅ、Ｆ为两个

金属圆筒，水滴可从筒的中心穿过，Ｇ、Ｈ为两个

盛接滴水的铝锅，用导线把金属圆筒Ｅ、Ｆ与铝锅

收稿日期：２０１２—０３—１２

基金项目：中国地质大学（北京）实验室开放基金

＊通讯联系人

交叉连接。两铝锅之间、金属圆筒与水管之间要

有良好的绝缘［ 。

图１滴水感应起电仪图

静电感应使水滴带电，带电水滴的下落使电

荷累积，结果提高了两铝锅之间的电位差，进而强

化了静电感应。这样的一个正反馈过程在水滴不

断滴入两铝锅时使它们之间的电位差不断升高，

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铝锅的电位略高于Ｈ

铝锅，由于Ｅ与Ｈ相连，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

滴水感应起电仪的实验及其改进研究

电感应，将使Ｄ端尖部水滴带负电，使Ｃ端尖部

水滴带正电。水滴在与尖端脱开时就分别带有少

量净电荷，下落的水滴携带电荷落入铝锅中，因此

两铝锅所带电荷不断增多［４］。这些电荷一到铝锅

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Ｂ１、Ｂ２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，使两铝锅之间的电位差不

断增高。

２仪器装置分析与实验

通过对实验装置的分析研究，我们可以将装

置进行分拆处理，即将装置分为三个部分。如图

２所示，上部的储水容器为输入系统，中间的导管

和金属圆筒为暗箱系统，下部的接水容器为输出

系统。实验研究从这三个部分分别展开，对于输

入和输出系统，主要进行材料的更换和改装；对于

暗箱系统，因实验装置的起电与静电感应累积电

荷的过程都处于暗箱系统中，故将对其做比较深

入的研究。

图２实验装置示意图

输人系统

暗箱系统

输出系统

设Ｅ、Ｆ顶面与其相对应的玻璃滴管管嘴之

间距离为ｈｚ，其底面与Ｇ、Ｈ底面之间的距离为

ｈ ，则实验的可变参数为ｈ 、ｈｚ、水槽、水槽中的

水、水滴速度、玻璃管、金属圈、金属盆。为了使实

验量化，我们在验电器玻璃前后表面对应放上量

角器，通过精确的角度来确定电荷量的大小。

由于开尔文滴水起电仪的自然激发起电具有

一定的偶然性，难以确定装置初始的带电状态。

因此，本次实验是利用摩擦起电机给Ｇ盆加初始

电量，致使验电器偏转３ｏ～４。的前提下进行电荷

积累最佳效果探究的。对于初始的预加电荷量，

若初始激发过小则不易进一步激励电荷累积，而

过大则易造成装置两侧的导通，电荷累积速率明

显下降。

首先，对输入系统和输出系统进行改装或材

料的更换研究。

２．１储水装置Ａ

实验中将水槽用隔板进行分割，形成两个独

立的区域，两侧的水域处于不同的环境下，其实验

效果比未隔开时明显。由于实验用水的纯度不

高，为生活中的自来水，里面含有一定量自由的正

负离子，带离子的水滴易受吸引而滴落，故而一段

时间后用万用表测水槽两侧存在一定的电势差。

因空间位置影响电荷的分布，用隔板隔开水槽，可

将这种初始的电荷分布差异显著化，避免后期水

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

将Ｇ、Ｈ换成塑料盆后，效果明显下降。主

要原因在于电荷在塑料盆表面不易传导，盆没有

和水连成一体。当部分电荷在其表面运动时，又

易与底面塑料板及邻盆相连而中和。实验表明，

在Ｇ、Ｈ两端电压较低时，其电荷累积速率小于

漏电速率，塑料板底座虽为绝缘材料，但其中含有

微量自由电子（主要由热运动而离解出来的本征

离子和杂质粒子），少量电荷仍然可能从表面传

导，造成装置的连通，从而影响电荷的进一步累

积。因此，选择金属盆，并时刻保证其与塑料底座

的干燥和绝缘性是必要的。

然后，对暗箱系统进行距离和装置的各种因

素的改进研究。

２．３ 感应距离ｎ２

水滴从玻璃管滴落受到其对应金属圈的感应

而带相应异种电荷，其电荷量的大小与水滴所在

的电场强度有关。当圆环半径为ａ，带电量为ｑ，

轴上距其中心处 。点的电场为

Ｅ一——

． ４惩。（以。＋ｚ５）号

图３ 水滴在经过环和圆筒时的受力分析 ’

由此，当圆筒面电荷密度为０＂９半径为ａ，高为

滴水感应起电仪的实验及其改进研究

ｈ，场点在 轴上，距上顶面为 ，距下底面为 ，

将其看成是由许多圆环单元组成，圆环单元厚为

如，带电量为２彻ｄｚ，圆筒在该点场强为

—

：兰

０。４ ８０［以 ＋（ ２一 ） ］号

一ｒ 二 ：

２ｅｏ［Ⅱ。＋（ ２一 ） ］号

：：： ２￡０ ２￡ｏ

￣／ｎ ＋（ ２一 ） ￣／以 ＋ ｌ

令Ｅ对 求一次导数为Ｏ，求出 ，即把滴水孔放

在此位置使水滴离开滴水孔所受的场强最大。

本装置中圆筒外径为５Ｏ．４１ ｍｍ，内径为

４８．８６ ｍｍ，取 一４９．６４ ｍｍ； 一１１Ｏ．２８ ｍｍ。取

ｈ 的初始值为１．７６ ｃｍ，多次改变数据，得到ｈ 值

不同时，对电荷累积效果的影响，见图４。由数据

分析可得，当 为１ ｃｍ左右时，效果最佳。

｜

４０

３Ｏ

２Ｏ

ｌＯ

０

—１．７６ ｃｍ

—ｉ ｃｍ

一０

—２ ｃｍ

Ｉ．４ ｃｍ

一（）．７ ｃｍ

０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ｔ／ｍｉｎ

图４不同Ｊｌ２值时的电荷累积效果

２．４ 滴落距离ｈ１

因空气中含有大量的正负离子及水蒸气、尘

埃颗粒等，为探究其对带点水滴的影响效果，在固

定 一１ ｃｍ，其他条件不变的情况下，多次改变

ｈ 的值，见图５。

ｑ｜‘

图５ 不同Ｊｌ１值时的电荷累积效果

由数据分析得， 一２８．３ ｃｍ时积累效果最

佳。若ｈ 过小，则水滴滴下后由于与盆带同种电

荷而受斥力，水滴散开并溅至四周，造成装置彼此

连通而漏电严重。若ｈ 过大，则受空气中离子中

和而使水滴带电量减小，累积效应变慢。

２．５ 水滴速度

理论上水滴速度越大则积累越快，效果越好，

但水不能呈柱状，会使电荷沿水流中和。经测试，

本实验选取水滴速度为２００滴／ｒａｉｎ时，实验效果

较好。

２．６ 感应装置Ｅ、Ｆ

将Ｅ、Ｆ金属筒换成直径相同、匝数为６匝的

金属圈，效果不佳。可见相同电荷量下，金属筒对

水滴的感应效应大。主要原因在于金属筒面积较

大，在总电荷量一定时，分得的电量相对较多，且

在最佳位置感应后，经过筒内壁的电荷对水滴也

起到感应的效果，从而使水滴带电量变大。然而若

筒壁过长，则水滴在带电量较大时易受吸引而偏

离，甚至贴至壁身，造成中和，从而影响累积的峰

值。

２．７ 滴水导管Ｃ、Ｄ

在人为施加初始激发下，通过对装置的研究

改进，可使电荷积累效果最佳。在该条件下，除去

初始激发。

在实验中，最初用的是长２０．９ ｃｍ，直径为

２．７６５ ｍｍ，孔隙直径为０．８７７ ｍｍ的玻璃管，再

无人为激发的前提下，１３ ｍｉｎ后见验电器偏转。换

成长２５ ｃｍ的玻璃管，１２ ｍｉｎ后无效果，加上初始

激发，电量竟进一步减少。而换成粗短玻璃管，７

ｍｉｎ后起电，且累积效果最好。而后换成细弯型、

短细型玻璃管与粗、细塑料管等，２０ ｍｉｎ后均不见

验电器偏转。

由上述实验可知，将水槽用隔板平分，水速约

２００滴／ｍｉｎ，ｈ２为１ ｃｍ，ｈ１约２８ ｃｍ，用金属圆筒

感应、筒壁长ｌｌ０．２８ ｍｍ，金属盆接水，时刻保持

装置的干燥，减少尖端（导线接口处用砂纸打磨圆

滑），尽量选择干燥的实验环境，有利于实验的成功。

３ 实验讨论

３．１ 起电机理的探究

物质内部固有的正、负电荷，乃是物体产生带

电过程的内在依据。通常原子中电子、质子数相

等，物体呈电中性。一定外因作用下，物体得到或

失去电子，则正、负电荷平衡被破坏而带电。当两

种不同材料的物体相互摩擦，由于原子核对电子

的束缚能力不同，使每个物体中有一些电子脱离

原子束缚，并跑到另一物体上去，不同材料的物体

彼此向对方转移的电子数目不同。

滴水感应起电仪的实验及其改进研究

图６ 细嘴（左）和粗嘴（右）玻璃管水滴情况

本实验中，由于玻璃管和水滴对电子的束缚

能力不同，水滴在玻璃管中运动时由于摩擦而带

电。当管嘴较小时，成球状的水滴将尖嘴围起，在

离开玻璃管前，两者已成为一体（见图６左），因摩

擦而带的少量电荷彼此重新中和，这样很难使水

滴自发带电。而将玻璃管变粗，管口变大，并使其

微斜（见图６右），则摩擦起电效果较好。适当增加

玻璃管的长度可增长电荷摩擦时间，但玻璃管不

宜过长，原因在于带电能力有限的水滴在长玻璃

管中会失去电荷而电量减少。相比于塑料管，玻璃

和水在电子的束缚能力上差异较大，故而后者起

电效果更好。

３．２ 积累电量的讨论

所有的实验中，验电器偏转角度至多为４７。，

基于装置参数的部分改变，一般验电器偏转到２５。

到３５。而终。主要原因有三点：①漏电速度大于电

荷积累速度；由图７和８知，电荷量越大，漏电速

度越快，当电荷量累积到一定程度，其漏电速度大

于电荷积累速度时，则表现为电荷的不增反减。针

对前后因，方案有两个。一是加强环境的干燥性，

增大两接水盆的距离（装置两侧电压较高时，会造

成电荷沿装置表面的运动，相当于导通）；二是将

水滴变大，可通过加大玻璃管管ＶＩ而实现。提高水

滴速率，但应保证水滴不呈柱状。一般２００～３００

滴／ｒａｉｎ较合适。②水流因金属筒的吸引而偏转，

， ‘ ｔ／ｍｍ

图７ 干燥环境下漏电检测情况

图８ 潮湿环境下漏电检测情况

贴至筒壁，造成彼此电荷的中和。可适当增加筒的

半径，减小筒高，这样水滴受到的吸引力变小，且

偏至筒壁的难度增加。③水滴柱受到同侧盆所带

的同种电荷斥力而在半空中散开，溅至四周，造成

装置的导通和漏电。其实主要在于ｈ 的选择，综

合考虑空气因素和斥力原因对水滴积累速度与最

终带电量的影响，求得合适的ｈ 。本装置ｈ 为２８

ｃｍ较为恰当。

４结 语

通过拆分装置的不同部分，采用控制变量法，

多次实验对比，选取最佳参数使装置的起电效果

达到最佳是改进仪器的主要思路。实验中，对装

置的不同部位的实验分析及量化对比，找出了本

装置的最佳参数及材料，从而达到了本实验预期

的效果。

然而由于数据无法量化成函数计算（如漏电

速率、电荷积累速率）以及没能精确测量出电荷量

（仅用验电器偏转角度来判断，由于两者不成线性

关系而无法做相关计算），因此实验还有待进一步

的研究。

就一个整体来讲，需有一套合适且装置部分

之间彼此适应的量度，当然，可以根据本文给出的

数据将装置同比放大或缩小。

参考文献：

Ｅ１３路峻岭．物理演示实验教程Ｉ－Ｍ］．北京：清华大学出

版社，２００５．

Ｅ２］盛正阳，胡朱宁．开展科技活动的好实验——滴水

起电［Ｊ］．物理教师，１９９８，１９（３）：１８—１９．

Ｅ３］李洪泽，梁濒，高仪．Ｋｅｌｖｉｎ滴水起电机的初始起电

的物理原理ＥＪ３．物理实验，１９８８，８（２）：８７—９０．

１－４］高朋．基于意义性原则的生活实验情境物理教学研

究ＥＪＪ．沈阳师范大学学报：自然科学版，２００７，

２５（４）：５３４—５３７．

１－５］吴家宽．开尔文滴水感应起电机制作与技巧ＥＪ］．

６４ 滴水感应起电仪的实验及其改进研究

１－６］

［７］

［８］

物理教师，２００２，２３（２）：２８．

高朋，周腾蛟．开尔文滴水起电机的简易装置与实

验研究口］．沈阳师范大学学报：自然科学版，２００８，

２６（３）：３０３－３０５．

胡米宁．采用对比实验教学发展学生求异思维［Ｊ］．

物理实验，１９９９，２０（８）：２７—２８．

胡米宁，盛正阳．滴水起电机的原理及其制作方法

［Ｊ］．实验教学与仪器，１９９８（２）：３９—４０．

一 Ｉ－９］刘炳升．中学物理教学与自制教具Ｉ－Ｍ］．上海：上海

教育出版社，２０００．

１．１ｏ］朱向阳，崔缨子．感应起电机起电原理的实验探究

及其解释ＥＪ］．物理实验，２００９，２９（８）：２２—２７．

１．１１￣张伟．中学物理实验教学研究与演示教具设计ｌ－Ｍ］．

呼和浩特：内蒙古人民出版社，２００１．

［１２］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１３］．物理实验，２０１１（９）：３７ ４０．

Ｔｈｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｒｉｐｐｉｎｇ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｔｅｒ

ａｎｄ Ｉｔｓ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ＹＡＮ Ｊｕｎ，ＬＩＵ Ｌｕ，ＤＵＡＮ Ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｚｉ—ｌｉ

（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｄｒｉｐｐｉｎｇ ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｔｅｒ，ｎａｍｅｌｙ Ｋｅｌｖｉｎ ｄｒｉｐｐｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｅ—

ｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｔｅｒ。ｉｓ ａ ｓｔａｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎａ１ ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗａｔｅｒ ｄｒｉｐｐｉｎｇ

ａｎｄ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｅ．Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｌｏｏｐ ｃａｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｏ ｆｏｒｍ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｈｉｇｈ

ｐｏｔｅｎｔｉａ１．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｗｅ ｈａｖｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｅａｃｈ ｐａｒｔ’ｓ ｉｍｐａｃｔ

ｏｎ ｔｈｅ ｕｈｉｍａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ．Ｗｅ ｈａｖｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｍａｉｎｌｙ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｅａｋａｇｅ

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Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｋｅｌｖｉｎ ｄｒｉｐｐｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｅｃ—

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