开尔文滴水起电器的探究与应用
——静电除尘器以及电介质极化模型

曾育锋,黄少端,李晓漫,吴 纯,曾显华,王承龙

(华南师范大学,广东广州 510006)

开尔文滴水起电器的探究与应用
——静电除尘器以及电介质极化模型

曾育锋,黄少端,李晓漫,吴 纯,曾显华,王承龙

(华南师范大学,广东广州 510006)

基于开尔文滴水器的基本原理,通过探究放电现象的影响因素,从不同的方面研究相关物理机制和影响因素并进行定量分析,进一步改善装置,达到加快电荷积累速度的效果,并做应用拓展——制作静电除尘器和由无极分子组成的电介质在外电场中极化的教具模型。

开尔文滴水起电器;静电除尘器;电介质极化模型

开尔文滴水器(Kelvin Water Drop),是英国科学家开尔文男爵于1867年所发明的一种静电产生装置。开尔文滴水器是借助带电水滴转移积累电荷的静电起电的装置,能形成很强的静电感应,电荷积累量随时间呈指数增长,会很快建立起一万五千伏以上的高电压,击穿空气,产生放电现象。但由于受到很多影响因素的干扰,如空气湿度,放电的效果并不理想。本文探究了开尔文滴水器传统装置的改进方法,并进一步设计静电除尘器及电介质极化模型的应用方案。

1 基本原理

1.1 开尔文滴水器原理

开尔文滴水器装置示意图如图1所示,水滴可能偶然地把极微量的电荷带给储水罐,造成储水罐带有微量电荷。任何一个储水罐获得少量的不平衡电荷,都会在两个储水罐之间形成微弱电势差,就足以开始对两个储水罐形成电容器充电过程,即电荷积累过程。由于静电感应作用,以及装置所形成的正反馈机制,电荷积累量随时间呈指数增长,能很快在储水罐之间建立起一万五千伏以上的高电压,在储水罐或环之间会击穿空气,产生放电现象[1-4]。

图1 开尔文滴水器装置图

1.2 静电除尘原理

静电除尘器是利用强电场使气体电离,使得气流中的尘粒与自由电子、负离子碰撞而结合在一起,形成粉尘荷电。在电场力的作用下,荷电粉尘向电极移动,最后粉尘将会从气体中被分离出来,达到除尘效果[5-7]。

1.3 由无极分子组成的电介质在外电场中极化的原理

由无极分子组成的电介质,因为每个分子都无电性,故整个电介质不产生电场。当介质处在外场源产生的电场中,无极分子的正电荷中心与负电荷中心分别受到相反方向的作用力,结果正负电荷中心被拉开一定的距离,形成一个电偶极子,具有一定的电矩,电矩的方向与外电场的方向相同,这就是由无极分子组成的介质的极化[8-10]。

1.4 单片机计时原理

如图2感应圈F上有一金属铝箔,当F带电后,由于带同种电荷,金属箔会“飘”起来,且到达红外传感器的感应范围,红外传感器将向单片机发出信号,数码管显示数值,示意图如图3[11-13]。

图2 放电时间-h2高度关系图

图3 带充足电荷的状态

2 开尔文滴水器优化探究

2.1 优化装置图

传统的开尔文滴水器装置容易受到很多影响因素的干扰,放电的效果并不理想。实物装置图如图4所示,装置示意图如图5所示,其中h1为金属圈上端到滴水口的高度;h2为金属圈下端到接水瓶瓶底的高度。

图4 实物装置图

图5 放电装置图

2.2 探究各物理机制,优化放电效果

放电时间间隔是衡量放电效果的重要因素。时间间隔短,即放电效果好。反之亦然。

(1)高度h1对放电效果的影响

实验测试,放电时间与高度h1的关系图如图6所示。如图可知,高度h1影响电荷的积累,h1为0时,即水滴的初始位置紧贴感应线圈口时,放电效果最优。

图6 放电时间-h1高度关系图

(2)高度h2对放电效果的影响

实验测试,放电时间与高度h2的关系图如图7所示。如图可知,高度h2对放电效果影响不大。

图7 放电时间-h2高度关系图

(3)滴水管C、D的数量对放电效果的影响

实验测试,放电时间与滴水管数量关系图如图8所示。如图可知,滴水管数量影响放电效果,当数量达到7以上,其影响程度不大。

图8 放电时间-滴水管数量关系图

根据以上实验测试,滴水器装置的 h1为0 cm,h2为20.5 cm,滴水管出口C、D直径为1mm,数量为7根时,放电效果最明显。

3 拓展应用

3.1 静电除尘装置

静电除尘装置示意图如图9。利用广口瓶收集烟尘,将两引线分别与两个感应圈相连接,实物图如图10所示,参照瓶和测试瓶。几秒之后,烟尘基本除去。

图9 静电除尘示意图

图10 静电除尘实物图

3.2 极化模型

用木板做一个正方体框架C,左右两侧分别架上金属板A和金属板B,在木板悬挂的绳上悬挂两端有石蜡的小木杆,模拟为无极分子。实物图如图11所示。实验结果表明,当无极分子模型行数为2,列数为4,每列木条个数为5时,作为教具模型效果较好。

4 结 论

依据实验探究,优化了传统的开尔文滴水器装置,选取最优的参数,增强放电效果。利用优化的开尔文滴水器得到强电场制作静电除尘器,可用于静电除尘的原理演示,甚至可以通过改进,用于除去空气中的尘埃,具有应用前景。制作由无极分子组成的电介质在外电场中极化的模型教具,可用于教学,帮助学生更好地理解相关的知识点。

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The Exploration and App lication of Kelvin W ater Drop——Manufacturing Electrostatic Precipitator and the Model of Dielectric Polarization

ZENG Yu-feng,HUANG Shao-duan,LIXiao-man,WU Chun, ZENG Xian-hua,WANG Cheng-long
(South China Normal University,Guangdong Guangzhou 510006)

Based on the fundamental principle of Kelvin Water Drop,the experiment is improved after exploring the physicalmechanisms and factors in differentways,so that the charges can engender and accumulate quickly.The improved experiment is used formanufacturing electrostatic precipitator and themodel of dielectric polarization.

Kelvin water drop;electrostatic precipitator;themodel of dielectric polarization

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.007

1007-2934(2015)06-0024-04

2015-07-28