Kelvin滴水起电机的初始起电的物理原理

滴水起电机原理
滴水起电机是一种实现能量转换的装置，是利用水滴流动时所带动的电荷移动产生电势差，从而实现电能的转换。

该装置可以用来发电、测量液体流量等。

滴水起电机的工作原理是基于“电荷分离”的作用。

当水滴流经一个介电材料时，由于其它离子的存在，水滴表面会被带电。

而当水滴离开介电材料时，离子会被带走，而水滴表面的电荷则会停留在介电材料上。

这种现象被称为“电荷分离”。

在滴水起电机中，介电材料通常采用一些特殊的材料，如聚四氟乙烯、硅胶等。

当水滴滴落在介电材料上时，会带动介电材料中的电荷移动，从而在材料的两端产生电势差。

这个电势差可以被收集器收集起来，就可以得到电能了。

滴水起电机的输出电压和电流都比较小，因此不适合用于大规模的电力生产。

但是由于其结构简单、易于制造、使用方便等优点，可以被广泛应用于一些小型电子设备，如计时器、温度计等。

滴水起电机还可以被用来测量液体的流量。

当水滴落在介电材料上时，会带动材料中的电荷移动，从而产生电势差。

这个电势差的大小与水滴的个数和速度有关，可以用来计算液体的流量。

滴水起电机的发展历程可以追溯到19世纪初期。

当时，科学家们
已经发现了一些关于水滴和电荷之间关系的规律，但是由于当时的技术条件限制，无法实现电能的转换。

直到20世纪初期，随着材料科学和电子技术的发展，滴水起电机才得以实现。

滴水起电机是一种利用水滴流动带动电荷移动产生电势差的装置，可以用于发电、测量液体流量等。

虽然它的输出电压和电流比较小，但是由于其结构简单、易于制造、使用方便等优点，可以被广泛应用于一些小型电子设备。

简易滴水起电机的原理探索与制作核科学技术学院杨喆PB13214046“”我希望你们思考并解释它，这是我这辈子看到的最不同凡响的东西！——Walter Lewin （MIT 电磁学公开课）正是这句话让我对视频中看到的实验产生了浓厚的兴趣，进而有了这次思考与探索。

23课题内容•一、对所观察到的实验现象进行原理探索•二、亲手再现整个实验，感受理论与实践的差异4实验描述使G和H分别于两个靠近的电极相连，慢慢调节控制阀C和D，使滴水管口处形成水滴流，不久就可观察到水花飞溅，形成伞状，最终观察到电火花的产生。

5理论研究对于实验现象原理的探索。

6原理探究总体思路一开始由于某种原因使得EH与FG带上相异电荷，然后通过装置的巧妙设计使得电荷能够持续积累，最终两者之间的电势差达到击穿电压放电。

7原理探究一、EH与FG带上相异电荷的原因a. 来自带电水滴的飞溅（猜想一）b. 空气中带电粒子的分布造成（猜想二）二、EH与FG之间的电势差不断上升的原因a. 水的极性作用（猜想一）b.水中正负离子的作用（猜想二）8原理探究总结：空气中电荷分布不断发生着变化，EH与FG的电势由于空气中带电粒子的吸附产生差异。

由于静电感应，E、F中流过的水滴流携带不同电荷，带与E、F相异电荷的水滴流入G、H后，电荷便流至G、H的金属表面，使与之相连的金属圆筒电势不断提高，进一步提高了静电感应的作用。

上述过程是一个不断加强的正反馈过程，使得EH与FG之间的电势差不断提高，达到击穿电压。

9近似的计算金属圆筒产生的场强E正比于带电量Q，忽略漏电，假设电荷的积累速率dQ/dt正比于E，则dQ/dt=kQ（k为常数），则积分可得：可见金属圆筒上的电荷将以指数增长，正反馈效应十分明显再由空气的击穿场强约为2~3kV/mm,若电极之间的距离为4mm，可知两极之间的电压可达8~12kV10实验研究实验现象的再现。

11第一种设计实验结果：失败失败原因分析：1）材料的选取与加工2）绝缘问题3）水滴的流速4）光线12第二种设计实验结果：成功在昏暗的灯光下观测，调节水流（加入了食盐提高离子数目，增强实验现象）至水滴流，一段时间后，水花呈伞状飞溅，最后金属片之间产生电火花。

滴水起电机原理(一)滴水起电机原理什么是滴水起电机？滴水起电机是指利用水滴撞击金属表面，产生电荷，从而发电的一种机器。

滴水起电机的工作原理滴水起电机的工作原理基于“压电效应”和“电致伸缩效应”，即当水滴撞击金属表面时，金属表面会因为压电效应而产生电荷分离，形成电势差；同时，水滴与金属表面之间的电荷转移会引起电势差变化，进一步产生电流。

滴水起电机的构成滴水起电机由金属板、导线、电容、电阻、电源等组成。

其中金属板作为电极，导线用于连接各个元器件，电容和电阻用于调节电压和电流，电源则提供电能。

滴水起电机的应用滴水起电机由于其简单、易制造、低成本等特点，被广泛应用于水资源监测、环境监测、水灾预警等领域。

此外，滴水起电技术还可以应用于机械振动能转化为电能的领域。

滴水起电机的未来随着科技的不断进步，滴水起电技术也得到快速发展，未来可望在新能源领域中大放异彩，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。

以上为关于“滴水起电机原理”的相关介绍，希望可以对您有所帮助。

滴水起电机的优缺点优点1.简单易制造：滴水起电机的结构简单，易于制造，成本较低。

2.节能环保：滴水起电机能够将水能转化为电能，实现节能减排，具有环保意义。

3.应用广泛：滴水起电技术可以应用于各种领域，如水资源监测、环境监测、机械振动能转换等。

缺点1.输出功率低：由于滴水起电机的能量来源于水滴的撞击，因此输出功率较低，难以满足大功率应用。

2.稳定性差：滴水起电机对环境因素比较敏感，例如温度、湿度等变化会影响其输出电量的稳定性。

总结滴水起电机以其简单易制造、低成本等优点，被广泛应用于水资源监测、环境监测、机械振动能转换等领域。

大量的研究还表明，滴水起电技术在新能源领域的应用前景广阔。

虽然滴水起电机存在一些缺点，如输出功率低、稳定性差等，但随着科技的不断进步，相信这些问题也会逐渐得到解决，为滴水起电技术的发展提供更多的可能。

开尔文滴水起电机的运行原理与改进研究费贤翔;杨子拮;王文华【摘要】该文分析了开尔文滴水放电的原理,通过实验研究了影响放电的因素,找到了影响放电的主要因素和次要因素,并对放电装置进行了改进;再用不同浓度的NaCl溶液做放电实验,研究了溶液导电能力与放电间隔的关系,进一步验证了开尔文放电实验的原理.改进后的开尔文起电机,实验的稳定性得到了很大的提升.这一改进研究对实验设备的制作及实验的演示有重要意义.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2017(015)005【总页数】4页(P27-29,41)【关键词】开尔文滴水起电机;放电间隔;NaCl;线圈【作者】费贤翔;杨子拮;王文华【作者单位】广东海洋大学,理学院,广东湛江 524088;广东海洋大学,工程学院,广东湛江 524088;广东海洋大学,理学院,广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】O441.11861年，英国科学家开尔文发明了一种滴水起电机。

这是一个设计巧妙的实验装置，具有以下优点:1)实验装置获取容易；2)对滴水的初始状态没有要求；3)利用正反馈，能将微小的电荷量迅速放大[1-2]。

但是，一个多世纪以来，人们虽然对开尔文起电机进行了研究，并对最初的起电机进行了改良，但对原理的解释一直很模糊。

本文对起电机放电的各种因素进行了研究，并提出了放电关键因素与次要因素，对传统的开尔文滴水放电机进行了改进，使得放电效果非常明显，同时还研究了不同浓度的NaCl溶液对放电间隔的影响。

这些改进将有利于此实验装置的进一步推广和应用。

实验装置如图1所示，滴水装置E滴水，水滴与孔口或与空气摩擦将极微量的电荷带给金属桶C，使C带负电，连接在C上的感应线圈D也带负电，而D又感应落下的水滴，使进入金属桶B的水带正电，与B相连的A也带正电。

随着水滴不断落下，B、C两桶内的正负电荷不断积累，当电压超过绝缘极限值时，连在B、C两桶上的电极间就会产生放电现象，该现象极具观赏性[3-4]。

滴水起电机原理
滴水起电机原理是一种利用水滴的动能来产生电能的装置。

它的工作原理是利用水滴的重力势能和动能，通过水滴的运动来驱动发电机转动，从而产生电能。

滴水起电机的主要部件包括水滴导轨、水滴收集器、发电机等。

当水滴从导轨上滴落时，它会带着一定的动能和重力势能，同时也会带着一定的电荷。

这些水滴会被收集器收集起来，然后通过导线传输到发电机中。

发电机是滴水起电机的核心部件，它将水滴的动能转化为电能。

发电机的转子和定子之间有一定的间隙，当水滴进入转子和定子之间的间隙时，它会使转子转动，从而产生电能。

这些电能可以被储存起来，或者直接用于驱动其他设备。

滴水起电机的优点是可以利用自然资源来产生电能，不需要消耗化石能源，同时也不会产生污染物。

它可以应用于一些特殊的场合，比如在偏远地区或者海上平台等地方，可以利用海水或者雨水来产生电能。

滴水起电机是一种利用水滴的动能来产生电能的装置，它的工作原理是利用水滴的重力势能和动能，通过水滴的运动来驱动发电机转动，从而产生电能。

它具有环保、节能、可再生等优点，可以应用于一些特殊的场合。

滴水起电机原理滴水起电机原理：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），水滴可能偶然地把极微量的电荷带给金属水桶，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，就足以开始充电过程。

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滴落，最终滴到右边的桶内，使右边的桶所带负电荷增加积累，从而又使与之相边的左边导电环也带负电荷，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铁桶上并积累。

因此，正电荷由于左边导电环的吸引作用被吸引到左边水流，使左边铁桶携带正电荷不断积累。

负电荷被吸引到右侧水流，使右边铁桶携带负电荷不断积累。

这个正反馈过程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，一会儿便能在两根金属桶之间建立起一万五千伏以上的高电压。

最后，当两个金属水桶之间达到高电压时，可能会看到一些效果。

电火花可能会瞬时在的两个桶或环的圆弧之间产生，从而降低每个桶上的电荷；或者如果这是种情况不容易发生，水桶将击碎向他们滴下的水滴，并可能使带同种电荷的水滴落不到下面的金属桶内，从而形成向上飞溅的水珠；或者电荷足够大时，水滴也可能被吸引到带异种电荷的导电环上发生中和，使带电量暂时下降。

这些影响都将限制装置达到电压的极限。

从能量转化或转移的角度来看，静电的能量来自于让水滴下降所释放的引力能量。

大部分能量转化为内能浪费，例如当水滴滴在水桶里的时候。

该仪器可以扩展到两个以上的水滴流。

滴水起电机实验原理报告英国科学家开尔文曾设计了一架非常有趣的发电机——滴水起电机最上边是两根滴水管，管口大小使得流出的水刚好形成水滴而间隙又不过长。

水滴从水管流出来，穿过金属薄壁管后滴入下方的金属水箱。

薄壁管 与水箱用导线交叉地连接起来。

水滴滴了一会之后，一个水箱带了正电，而另一个带了负电。

该起电机 的两边是完全对称的，为什么两只水箱带了不同的电荷呢？滴水发电机是根据感应起电的原理设计的。

在周围的无线电波，宇宙射线的作用下，两个金属水箱都带了负电，但是它们所带的电量一般不等。

带负电荷较多的水箱接着另一边上角的金属薄 壁。

由于静电感应，带负电的金属薄壁管把水中的正离子召唤过来，该边的滴水管口（最上方）便出现了正电荷。

因此当水滴下落时，就会把正电荷带 到该边带负电荷较少的金属水箱中。

而相反，另一端则吸引了负电荷，这样往复进行，积少成多，循环进行，电荷分离速度逐步加快。

一会儿便能在两根金属箱之间建立起较高电压。

但是，在我们的实验过程中，我们得到的电压相当小，并且实验现象不是很明显，到底是什么导致实验现象的不明显呢？首先，空气湿度是主要影响因素。

武汉地处长江中下游，并且湖泊众多，空气湿度相当大，对本实验造成了较大的影响。

这是无法改变的实验环境，除非在相对封闭空气湿度较小的实验室进行，不然对实验的结果影响是比较大的。

除了实验环境之外，我们也可以通过改变实验的其他装置来使实验结果更加明显。

一是在纯水中加入食盐，增加溶液的离子浓度，增加导电性。

二是底座的绝缘性要做好，避免与外界有导通而流失电子，这样也会使实验现象不明显，我们可以在绝缘底座上放一块有机玻璃，再在有机玻璃上放一块塑料泡沫，实验过程中要保持底座干燥，不要让水滴在底座上。

以上是本实验的原理及改进方案，只要能够把绝缘和导电控制好，实验的现象应该会成功。

开尔文滴水起电机优化研究袁伟丽;陈杏梅;苏艳霞;黄森;郭超明;李栋宇【摘要】开尔文滴水起电机具有丰富的物理思想而倍受物理工作者的关注.由于开尔文起电机起电效果影响因素诸多,其中湿度的影响尤为显著.如何在湿度较高环境下,提高开尔文滴水起电机的起电性能成为当前的研究热点.本文对开尔文滴水起电机的制作材料、水滴流速、感应环匝数、滴嘴到感应环距离和滴落距离等方面进行优化.改良后的开尔文滴水起电机的起电时间大幅度缩短,且在空气相对湿度达85％的环境中,起电现象也非常明显.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】5页(P57-60,65)【关键词】开尔文滴水起电机;空气湿度;起电效果【作者】袁伟丽;陈杏梅;苏艳霞;黄森;郭超明;李栋宇【作者单位】岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048;岭南师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048【正文语种】中文【中图分类】O441.1【DOI】10.16854/ki.1000- 0712.2017.04.013开尔文滴水起电机发明至今已约150年，由于具有丰富的物理思想而受到重视.但是在国民生产或物理课堂教学中鲜有所闻，其中的原因诸多，比如产生的电量微弱、起电不稳定以及在空气相对湿度较高的环境下难以起电.所以即使开尔文滴水起电机有其他起电机无法比拟的节能环保的优点，其应用方面还是非常狭窄.因此，要发挥开尔文滴水起电机无能耗的特点，有更广阔的应用前景，其性能的优化显得特别重要[1].经过大量查阅关于开尔文滴水起电机的探究文献，大多采用简单的材料制作实验装置，如易拉罐、导线、一次性输液管、矿泉水瓶、铝盆、烧杯等；对于感应环的制作、储电装置选取、水滴速度、溶液种类等方面众说纷纭，但对空气湿度和绝缘性方面，都要求低空气相对湿度和良好的绝缘性，才有可能观察到所期待的现象.此外，由于开尔文滴水起电机具有丰富的物理思想，很多学者将其设计成教具，例如高朋、周腾蛟的《开尔文滴水的简易装置和实验研究》[2]和丁时慧的《神奇的倒置喷泉——简易滴水起电装置设计与制作》[3]等，达到非常良好的教学效果.为了使现象更加明显，不同学者有其不同的设计思想，比如有学者提出预加电荷[4]，提供一个预先电势差缩短了起电时间，现象更加明显和能在更高的湿度下起电，还有学者用水泥浇铸导线[5]和感应环减小尖端效应，使验电器偏转周期加快.但是在相对湿度较高的环境下，开尔文滴水起电机起电困难严重阻碍了其应用.本文为解决开尔文滴水起电机在南方潮湿地区起电微弱甚至不起电的问题，对其制作材料、水滴流速、感应环匝数、滴嘴到感应环距离和滴落距离等方面进行优化，克服高湿度环境下开尔文滴水起电机起电困难的问题.开尔文滴水起电机是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.该装置利用水滴滴落过程中对电压差的正反馈作用和水中正负离子对由电偶极子产生的静电场的静电感应作用来形成电压差，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一个巨大的正负系统，开尔文滴水起电机是借助带电水滴转移积累电荷的，它蕴含着丰富的实验思想[2]，如图1所示.宇宙射线或其他影响会使一些原子发生电离，在我们生活的环境中存在微量的电荷，如图1中的示意图，假设一个负电荷随机随着B边的水滴滴落在D，与其相连接的感应环A就携带了与D相同电性的负电荷，感应环A就会由于静电感应而吸引水槽中正电荷下落到C，而这时感应环B就会带上与C相同电性的正电荷，从而又吸引水槽中的负电荷下落到D，如此反复正反馈，短时间就能积累到上万伏的电压.2.1 开尔文滴水起电机的制作装置材料：废弃大塑料瓶、一次输液管、有机玻璃板、磁铁、导线、pvc管、小铝片、干燥装置、5号PP聚丙烯塑料杯和石蜡.2.1.1 滴水开关设计双开关，“上”开关用于控制打开与关闭，“下”开关用于控制流量，使用时可以调节“下”开关至合适流量后不变，每次实验只需要全打开或全关闭“上”开关，保持每次实验的流速一致并起电效果都最好，不需每次都寻找起电效果最好的位置.2.1.2 莱顿瓶储电罐的选取非常重要，我们曾使用过金属罐、废弃饮料瓶、有机玻璃和5号PP 聚丙烯塑料瓶，5号PP聚丙烯塑料瓶起电效果最佳.如表1数据可知，莱顿瓶的储电量和效果都会好得多，所以改装塑料瓶为莱顿瓶，在塑料瓶内测均匀涂上融化的石蜡，待干再套上另一塑料瓶，这样制作一对，两个瓶用铝片连接，可为实验快速起电立下“汗马功劳”，能达到3 s～4 s就可以起电，使验电器偏转.2.1.3 中央挡板在前面的改良条件下，起电现象显著提高.水花飞溅会中和电荷，于是我们在两莱顿瓶之间设计中央挡板，防止水花飞溅而中和电荷，使电荷快速持续地积累.2.1.4 干燥装置为了使研究过程不受地理位置和天气的影响，将吹风筒改装而成干燥装置，从而控制实验环境的相对温度.图3是开尔文滴水起电机的实物图.2.2 开尔文起电机的量化及优化2.2.1 滴水流速设计“水循环”和双开关系统，对滴水流速实现精确调控.实验中为了得到最佳的起电电压，控制其他因素保持不变，研究流速对起电电压的影响.多次实验求平均得如图4所示曲线：结果表明当滴水速度为115 mL/min时效果最佳.2.2.2 感应环实验的感应环使用过钢环、易拉罐环(去上下面)和线圈(漆包线圈和导线线圈)，发现使用线圈做感应环起电效果比前三者明显要好，因为漆包线容易刮花失灵，所以本实验使用导线线圈作为感应环，基于本实验装置探究2匝、4匝、6匝、8匝、10匝、12匝和15匝线圈的起电效果，发现10圈、12圈的起电效果较好(见表2)，我们的实验装置采用10圈匝数的线圈作为导电环，感应环高2 cm.2.2.3 感应距离如图5所示，水滴从滴嘴受到感应环感应带异种电荷，其电荷量的大小与水滴所在的电场强度有关，调节滴嘴位置，使其位于场强最大处感应效果最好.如图6所示，设感应环的半径为R，带电量为q，z轴上距离其中心处z0点的电场为[7]：为了计算简单，我们把密绕线圈的感应环近似看成是一个带电均匀的圆筒面，令其面电荷密度为σ，半径为R，高为h，滴嘴与感应环上、下底面的距离分别为h1和z2.根据式(1)，即感应环在滴嘴处所产生的场强为：由此，当圆筒面电荷密度为，半径为R，感应环高为h，场点在z轴上，距上底面为h1，距下底面为z2，将其看成是由许多圆环单元组成，圆环单元厚为dz，带电量为2πσdz，圆筒在该点的场强为令E对z2求一阶导数使其为0，求出z2，即把滴嘴放在这个位置时水滴受到的场强最大，本实验R为1.2 cm，h为2 cm，计算加之实验探究相结合z2为2.25 cm效果最佳，所以h1为0.25 cm时受到场强最大.2.2.4 滴落距离滴落距离过小，水滴滴落后与莱顿瓶的同种电荷相斥，水滴四溅，造成装置积累电荷缓慢，滴落距离过大，则会受空气中离子中和而使水滴带电量减小，积累效益就会慢.经过多次实验求平均，绘制曲线如图7所示.张仁彦等[4]对开尔文滴水起电机进行了诸多方面的改良与研究，在预加电压的情况下达到8 min后水花飞溅的效果，并在70%的环境下还有较大的静电压.而本实验在无需预加电压下能在3～4 s起电，1 min内水花四溅成伞状，并且在空气相对湿度为85%的环境下仍能有5 kV左右的静电压；并且实验装置在水滴呈线流情况下也能起电.3.1 水花飞溅，呈伞状本文所设计开尔文滴水感应起电机装置能在大约3～4 s起电，且观察到滴水偏转呈伞状，现象明显还可以看到水花飞溅，如图8所示(为了观察实验现象，溶液加上颜色).3.2 产生静电高压莱顿瓶与中央挡板设计，能使电荷快速积累，用SIMCO-FMX-003静电仪测量到17 kV左右静电高压，甚至超出量程.如图9所示为某一次实验的照片，数据显示的电压是+17.3 kV.3.3 尖端放电连接放电装置，开尔文滴水起电机提供的高压静电，能让尖端击穿空气放电，周期约为5～8 s，现象如图10所示.本文通过采用控制变量法对开尔文滴水起电机的材料和相关参数进行优化量化，实验结果表明该装置的滴水流速为115 mL/min，线圈匝数为10匝，感应距离为0.25 cm，滴落距离为18.0 cm时，起电效果最佳，起电时间为3～4 s，产生的静电高压达17.3 kV.该装置无需用特殊溶液(自来水即可)，无需预加电荷，且在相对湿度为85%时，起电现象依然很明显.【相关文献】[1] 田得良，蔡东阳，叶晓靖，等.Kelvin滴水发电机起电速度探究及装置改进[J].大学物理，2015，34(10): 51-56.[2] 高朋，周腾蛟.开尔文滴水起电机的简易装置与实验研究[J].沈阳师范大学学报， 2008，26(3):303-305.[3] 丁时慧.神奇的倒置喷泉——简易滴水起电装置设计与制作[J].中学物理教学参考， 2012，41(12):47-49.[4] 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[J].物理实验， 2011，31(9):37-40.[5] 吴家宽.开尔文滴水感应起电机的制作与技巧[J].物理教师， 2002， 23(2):28.[6] 李宪武，任国珍.滴水起电机及其在演示实验中的应用[J].教学仪器与实验， 1987， 3(6):20-21.[7] 颜君，刘璐，段涛，等.滴水感应起电仪的实验及其改进研究[J].大学物理实验， 2012，25(3):60-64.。