关于开尔文水滴管的研究与讨论

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1、关于开尔文水滴管的研究与讨论摘要：本文介绍了开尔文水滴管的基木原理，阐述了开尔文水滴管的实验现象，以及对此实验影响因索和现象的讨论。关键词：开尔文水滴管。静电发生器。Kelvinwaterdropper。开尔文滴管是开尔文勋爵于1867年发明的静电发生器。它利用下降的水的积累和静电感应从而产生了一个很大的电压差（可达到3*10%o最终击穿空气之后每隔几秒就会产生电火花。也成称为开尔文静电发生器及开尔文的雷暴。装置简介开尔文滴管由一个带有两个滴口的水槽，两个金属容器和两个交错的带孔极板组成。装置的所有组成

2、部分均为金属导体。极板和金属筒之间用导线连接。三•工作原理开尔文水滴管最吸引人的一点在于它是一个看似完全对称得装置却能产生一个足以击穿空气的电势差。是什么使这种装置的对称性最后表现成了-•种完全的反对称。下面我们开始描述这一现象产生的原因。3・1启动阶段J乙在自然情况下。水槽中的水中的H+与OH-离子并不是分布均匀的。在局部正离子数和负离子数并不相等。所以左右两个滴孔屮滴下的第一（或前几滴）滴水带着不同微弱的电荷。滴入金属筒后使左右两个金属筒带着微弱的电性。不妨设左边带负电，右边带正电。通过导线的传导，

3、使左右两个极板带上不同的电性。并且使两个金属筒上带上一个初始的电势差乂，开始阶段结束。3.2累计阶段如图所示当C2带负电时，R2也带负电。此时极板R2的负电吸引水桶中的正离子靠近J2端，从而使从J2端流岀来的水滴对外显正电。水滴通过R2的滴孔滴入C1中，通过导线的传递，使R1盘上的电最增加。与R2相似，R1吸引水桶中的负离子靠近J1端。水滴通过R1的滴孔滴入C2中，进而也使R2极板的电荷量增加。通过这种累让效应。使Cl,C2两个金属筒的电压差逐渐变大。假设水流速度均匀。那么我们有电压的变化率正比于两金属

4、筒板间电压差。有通过积分。得:其中k是与水流量，装置所用金属的导电性有关的常量。乂为启动阶段两个金属筒所产生的电压差。3.2.1累计阶段的一些讨论。明显对于乂二()的情况，无论对于任何t。恒有vn)°那么启动阶段所需的时间是多少。根据JTLloyd在《PhysicsTeacher»(1980ppi6-24)中记载的。一'开始的启动时间需要1到2分钟。但是一旦启动就无法停.2(theysometimesdon*tstartforaminuteortwo,butoncestartedthevseemtoco

5、ntinuebecauseoftheresidualcharge.)3.2.2对于水分子极化的一些讨论。如图为一个水滴通过极板的情况。若没有外加的电场。则水中H+和OH-离子数相等(1/10^7/mol),在外加电场的作用下。水滴屮的H+和OH■发生极化。这个现象类似于在外加电场屮金属产生感应电荷一样。图中虽然只画出了一点水极化的示意图。对于水流极化的方式也是相同的。3.3放电阶段在累计极端，我们得到，两个金属筒之间的电压差不断增大。并且此积蓄没有办法在内部进行消耗。当两金属筒间的电压达到一定程度时，就

6、会击穿空气,产生放电现象。释放能量，但是3.2过程仍在继续。故每隔一段时间，就会出现放电现象。如果有两根金属丝导出两个金属筒的电荷，那么我们会发现在金属丝的周围产生电火花。笔者不得不说，看到水流与电话花同时存在，这一现象相当具有观赏性。U!.总结与讨论4.1关于实验影响因素的一些讨论对于公式V=V^O我们有t与k成反比。下面讨论k的影响因素。4.1.1k与水流量的关系我们定义水流量为单位时间内通过极板的液体的体积。那么我们知道，当水流量不高时，单位时间积累的电荷量不高。所以两电极之间的电势差的变化率较低

7、。从以上分析知k与水流量成正相关。4.1.2k与装置及液体导电性的关系显然我们从极限状态讨论就有，k与装置及液体导电性成正相关。特别的。由于水的离子积常数为定值。故水屮H+和OH・离子数可能不相等。但此实验的原理在丁液体通过电极板时水H身的静电感应。故分析认为酸碱性不影响k值。但会对启动阶段产生形成初始电压差V。的时间有一定影响。4.1.3其他因素我们知道，若溶液中H+和OH-离子总数变多，则在启动阶段形成初始电压差乂的时间变短。故液体温度也是影响该实验的原因。但对于实验本身，没有提高液体温度的必要。同

8、理，压强等因素也是次要因素。4.2关于实验结束条件的一些讨论.很显然当两边的电压能达到击穿电压时，即完成3.3阶段。此试验结朿。但是有没有一种可能使3.2阶段达到一定程度后不再进行。下面我们对这种情况进行分析讨论。我们分析如下的一种情况：o_o_o_o-o~C2左一k0如图所示，对于左半边金属环和金属筒所形成的体系。R1带正电。C2带负电。形成一个从下指向上方的电场。对于R1环，它上方的电场是吸引水滴向下,而它下方的电场则是吸引水滴。若电场