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2019年10月15日 | 技術文章—滴水起電機的技術原理

發(fā)布者:EEWorld資訊 來源: EEWORLD關鍵字:滴水起電機 手機看文章 掃描二維碼
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英國科學家開爾文于1867年發(fā)明了一個裝置,用于產(chǎn)生很高的電壓,后人稱這個裝置為開爾文滴水起電機。
  


開爾文滴水起電機的構造相當簡單。如圖(01),最上面是一個水槽A,水槽下面接一個控制水流大小的開關,然后經(jīng)一個三通管把水流分成兩路。水槽是接地的,所以在現(xiàn)代條件下上面的水槽可以直接用自來水管代替。
  
出水的兩個滴嘴下面是B、C兩個導體環(huán),水滴可以通過這兩個導體環(huán)滴到下面的兩個導體桶D和E里面。B和C兩個導體環(huán)以及D和E兩個導體桶必須彼此均良好地互相絕緣。環(huán)B和桶E、環(huán)C和桶D用導線聯(lián)接。
  
在上面的水槽A中注入一定量的普通的水,水槽中的水通過兩個滴嘴滴下,經(jīng)過兩個環(huán)B和C落到桶D和E中。兩個桶D和E就會帶電,彼此之間產(chǎn)生相當高的電壓。不需要很多,只需要幾杯水,就可以使D與E之間電壓達到數(shù)萬伏特或者更高,這可以從驗電器H中兩片金箔張開看出來。如果D和E兩個導體桶距離比較近,甚至可以在D和E之間產(chǎn)生火花放電。如果兩個桶之間的距離和兩個環(huán)之間的距離都比較遠,最終可能水滴在高電壓作用下亂飛,飛到導體環(huán)B和C上,濺到各處的水破壞了各處的絕緣,實驗也就結(jié)束了。

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圖(01)  開爾文滴水起電機
  
幾杯普通的水,怎么就會產(chǎn)生這么高的電壓呢?
  
為解釋高電壓的成因,請看圖(02)。


image.png    
圖(02)  滴水起電機工作原理
  
圖(02)略去了絕緣支架,只保留了滴嘴以及水流A、兩個導體環(huán)B和C、兩個導體桶D和E。圖中還畫出了導體環(huán)B上方滴下的水滴F和導體環(huán)C上方滴下的水滴G。
  
水滴尚未滴下時,兩個環(huán)和兩個桶之間電壓并不為零,二者之間總會有微小的電壓。這個微小的電壓,可能是因為有風吹過(如果哪位不相信,請問問留長發(fā)的女士,在大風天是否有過頭發(fā)帶電粘在一起的經(jīng)歷),可能是人手摸過(別忘了,人的心臟不停跳動,心電圖顯示人體上不同部位之間具有至少數(shù)毫伏的電壓)……總之,和電路中的熱噪聲一樣,二者之間電壓不會是零。
  
假定左邊桶D(連同右邊環(huán)C)帶微小負電,右邊桶D(連同左邊環(huán)B)帶微小正電。在圖(02)中我們用紅色表示帶正電,藍色表示帶負電。那么,環(huán)B和環(huán)C將使A管中的水里面電荷重新分布,左邊流出的水滴F因B環(huán)帶正電,將帶有微量負電荷,而右邊流出的水滴G因C環(huán)帶負電,將帶有微量正電荷。
  
滴下來的水滴,F(xiàn)帶負電荷,G帶正電荷。F和G落到桶D和桶E時,又會把自身所帶電荷傳遞給桶D和桶E,使桶D和桶E之間電壓升高。自然,環(huán)B和環(huán)C之間電壓也升高。繼續(xù)滴下來的水滴就會帶上更多的負電荷和正電荷。繼續(xù)滴下來的水滴落到桶中后,會使桶D和桶E之間電壓更加增大。如此繼續(xù)下去,滴下來的水滴帶電越來越多,桶D和桶E之間電壓越來越高。顯然,這是個正反饋過程。此過程一直要持續(xù)到兩桶或者兩環(huán)之間發(fā)生火花放電,或者水滴受靜電力飛到環(huán)上破壞絕緣為止。
  
顯然,圖(01)所示裝置具有發(fā)電的能力,是個電源。
  
電源,定義為非電場力對電荷做功,其它形式的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置。那么,“開爾文滴水起電機”是什么力在做功?什么形式的能量轉(zhuǎn)換成了電能?
  
由圖(02),非常明顯,落下的水滴所帶電荷與桶所帶電荷符號相同,水滴受到桶的斥力,水滴受到的靜電力方向是向上的。由于水滴受到方向向上的力,水滴落到桶中的速度就會比沒有受到靜電力時小一些。換言之,水的重力勢能沒有完全轉(zhuǎn)換成水滴的動能,而有一部分轉(zhuǎn)換成了電能。
  
帶電水滴落下時是斷續(xù)的,這種斷續(xù)的電荷在運動,是否構成電流?
  
帶電水滴這種斷續(xù)的電荷運動,當然構成電流。雖然帶電水滴不連續(xù),但電流的定義是“電荷的定向運動”,并沒有要求連續(xù)。導體如銅、鐵中自由電子的定向運動,叫傳導電流;水滴這樣帶電物體的運動構成的電流,叫運流電流。這兩種電流的共同點,是都會產(chǎn)生磁效應。順便說一句:電場的變化也會產(chǎn)生磁效應,麥克斯韋稱之為“位移電流”,但電場的變化并沒有電荷在運動。




image.png
  
開爾文是誰?怎么會想到搞這種起電機?
  
開爾文本名威廉·湯姆遜,14歲入讀格拉斯哥大學,后來到劍橋大學學習,還曾到法國留學。威廉·湯姆遜在數(shù)學物理、熱力學、電磁學、彈性力學都有相當?shù)呢暙I,并且主持了跨大西洋海底電纜的技術工作,因此在1866年被封為爵士。后來又于1892年被封為開爾文勛爵。正因為他在熱力學上的突出貢獻,第10屆國際計量大會才把熱力學溫度定名為“開爾文”。
  
開爾文于1867年制作了上述的實驗儀器,當時跨大西洋海底電纜已經(jīng)完成,他也早在1851年就提出了熱力學第二定律。19世紀末,開爾文是物理學界泰斗級的人物。開爾文之所以制作了這么一個今天我們看起來像是玩具一般的儀器,目的就是想實驗一下不同于利用法拉第電磁感應定律發(fā)電機的發(fā)電設備,將機械能轉(zhuǎn)換成電能。
  
今天我們看起來這種“開爾文滴水起電機”并沒有多大的實際用途:它確實能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換成電能,能夠產(chǎn)生相當高的電壓(產(chǎn)生數(shù)厘米距離上的火花放電),產(chǎn)生的電流卻非常微小。
  
然而,這個看起來沒有什么用處的“開爾文滴水起電機”,卻在60多年后令荷蘭物理學家范德格拉夫受到啟發(fā),得到了實際應用。
關鍵字:滴水起電機 引用地址:技術文章—滴水起電機的技術原理

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