电和磁 – 简述开尔文起电机原理

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所属分类:电和磁

    在电池与电动势章节沃尔特-列文教授,用水管,导线,四个油漆桶,两个距离约六厘米的导电圆球,做了一个起电机,演示了用水流起电的现象,当时真的是让人百思不得其解。实验现象如下:

    1. 当水流的时间T达到一定时间长的时候,两个小球之间产生电火花。

    2. 系统刚启动时,水流垂直掉进油漆桶,当继续滴水,时间未达到T之前,水流并不是垂直滴到桶中,而是往油漆桶边慢慢有一定偏移角度,且逐渐增大,当达到时间T后,小球放电,水流又继续垂直落下......如此循环。

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    今日总算是完全明白了其中的原理:

    1. 我们假定油漆桶A中带了一定量的正电荷(事实上,大自然中的物体,并不是绝对完全呈中性的,比如,人类在冬天的时候很容易带电)。

    2. 当水流从左侧水管滴下时,由于A桶带正电,单个水滴在未滴下时,由于水的PH值是7,水滴被A桶极化成电偶极子,水滴的上部分带正电,下部分带负电,当水滴分离时,水管的左侧也被带了正电,滴落桶中的水带负电。

    3. 水滴继续滴进D桶,由于时间累计,D桶中的负电荷越来越多,由于导线连接B桶,B桶也带了负电荷。

    4. 由于B桶带了负电荷,水管的右端的水滴也被极化成电偶极子,但水的上部分带负电,下部分带正电,与左侧相反。

    5. 同理由于时间累计,D桶中的负电荷越来越来越多,B桶的负电场越来越强,另外,C桶中的正电荷越来越多,A桶的正电场也越来越强,也就是CD两桶之间的电势会越来越高,AB两桶极化水滴的能力越来越强。

    6.当CD两桶间的电势达到电晕放电的临界值时,所以产生了电晕放电,但此时ABCD四个桶之间的带的电荷也未必会中和完。

    7.于是,AB两桶中的电场变弱,水滴又会垂直落下,实验又将从第一步执行,只要水管上面水桶中的水没滴干净,放电会继续进行。

    解释现象1:由于A桶带正电,又因A侧水滴带负电,故水滴会往桶A壁方向偏,且当在未放电之前,由于电场越来越大,所以,偏离的角度越来越大。B侧水滴也同样如此。

    电场,能量转换与电流方向分析:

    电场:水管中,E从左至右;对于AD两桶,A桶正电,D桶负电,所以电场方向E从上到下;对于BC两桶,B桶负电,C桶正电,电场方向是从下至上;

    能量转换:A测水滴带负电,水滴重力场克服电场做功;B测水滴带正电,同理,重力场也是克服电场做功,于是重力势能逐步转换为电场能;

    电流方向:C桶到D桶。

    分析如下图所示:   image

    这个是世界上著名的开尔文水滴起电机实验,真的是让人脑洞大开,不得不佩服那些伟大科学家的智慧。

    实验的几个关键点:

    1. 要在空气干燥的情况下,空气湿度大不行。

    2. 两个导体小球间的间距要适中,不能太大,也不能太小,5至6mm比较适中。

    3. 油漆桶A和B与水管的高度不能太高,否则不容易把水极化。

    

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