自制簡易感應起電機

于哲峰,于海寧,于德軍

(1.鞍山師范學院 物理學院,遼寧 鞍山 114007;2.西北師范大學 教師教育學院,甘肅 蘭州 730070)

19世紀70年代,電力作為新能源進入生產領域,導致第二次工業革命產生,人類從此進入電氣時代．現今,電氣影響著人類生活的方方面面,相關研究仍是科學研究的重要組成部分．

發電機作為電氣的基礎,在電磁學的教學和研究中扮演著不可或缺的角色．發電機原理、結構復雜,不便于初學電磁學的學生學習、理解和使用．若能自制簡易的發電機,將對學生理解電磁原理、提高動手能力起到較好的促進作用.

圖1是圓盤式靜電感應起電機,它是通過兩同軸玻璃圓板反向高速轉動,相對轉動金屬箔片間的靜電感應將初始的微小差異反復加強而使箔片間的靜電荷明顯積累,再通過尖端放電積累到儲電罐,并產生高電壓．這種感應起電機需要機械運動系統,而開爾文利用感應原理設計制作的是無運動系統的滴水感應起電機．

圖1 圓盤式靜電感應起電機實物圖

以上兩種重要的起電機都是利用正反饋手段實現“無中生電”的．正反饋是指反饋信號的方向和初始信號方向相同,從而通過增強系統的輸入信號而增強輸出結果的反饋方式．通常情況下正反饋的結果會使某種趨勢指數無限放大,最后導致系統破壞,因此正反饋循環也被稱作“惡性循環”．而有時正反饋又能創造奇跡,把初始的微小差別放大為明顯差異,隨著新的負反饋機制出現,明顯的差異得以保留,也就是“無中生有”．靜電感應起電機就是通過靜電感應起電并利用正反饋機制形成凈電荷迅速積累且積累的電荷成指數上升的裝置[1]．當積累的電荷足夠多時,漏電和尖端放電現象無法避免,形成負反饋,積累的電荷將不再增加．

研制感應起電機的核心是形成一種較強的正反饋機制,同時避免負反饋機制的影響．可分離導體類的正反饋強弱在于每滴分離的導體因感應而帶的電荷量,這就要求分離點一定是在感應電場最強處,一些參考文獻對此描述不詳細[2],如只有水流很細且剛好成流時才會起作用[3]、使滴嘴流出細水流穿過感應環進入接水桶[4]等的描述無法使讀者掌握制作和控制的關鍵參數,也不能保證起電機正常工作．細水流工作的原因可能是:細水流下落過程中必然會分裂成水滴,當分裂點恰好位于下文分析的在感應環上方0.7R附近時,起電效果較好．本文應用該原理設計了幾種簡易的靜電感應起電機,供教師和學生研制靜電感應起電機時借鑒與參考．

1 感應原理與關鍵參數

圖2是靜電感應起電機設計原理示意圖,A為放置可分離導體(如水、導體粉等)的容器,G、H為導體分離口,B、C為感應環并分別用導線與E、D導體儲存器交叉相連．初始時,由于金屬內的電荷漲落、宇宙射線、電磁波感應等可能因素的影響,B、C感應環存在微小的異種靜電荷．從G、H分離的導體在分離前通過與感應環的感應會帶有與B、C感應環相反的異種靜電荷,分離后確保不接觸B、C感應環滴落至E、D導體儲存器,形成電荷積累．由于B、C感應環與E、D導體儲存器通過導線交叉相連,E、D導體儲存器形成的電荷積累會進一步增加B、C感應環的靜電荷量,進而增強B、C感應環的感應能力,使再次滴落的、分離的導體感應出更多靜電荷,形成正反饋機制．這種機制使E、D導體儲存器儲存的異種電荷隨滴數(時間)成指數形式增長,達到起電的目的．E、D導體儲存器儲存的異種電荷可使用驗電器、驗電幡、驗電擺等多種驗電形式進行演示,圖2中的F為細線懸掛的驗電擺球．

圖2 靜電感應起電機設計原理示意圖

該起電機的起電效率關鍵在于每滴分離的導體感應的電荷量,為了便于控制和計算,分離的導體一定要在分離口分離．分離前導體感應的電荷與所在位置的感應電場強度成正比,分離的導體感應電荷越多,起電效率越高;單位時間分離的導體數量越多,起電效率越高．感應電場由感應環提供,環狀帶電體軸線上的電場強度可由式(1)表示:

(1)

其中:q為感應環的帶電量,R為感應環的半徑,x為軸線上的點到環所在平面的距離．令dEx/dx=0可求出場強極大值位置約為x≈0.7R．可見,影響起電效率的關鍵參數是分離口離感應環的距離,為0.7R．該處電場強度可由式(2)表示:

(2)

由式(2)可見,感應電場與感應環半徑的平方成反比,在保證分離導體不與感應環接觸的情況下,感應環的半徑越小越好．積累的電荷總量和分離導體的數量正相關,在保證上述條件下,分離導體的速率越高,單位時間分離導體的數量越高,單位時間積累的電荷總量越多,發電效率越高．

2 幾種簡易起電機的制作

圖3是自制的超簡易水電分離式開爾文滴水感應起電機,該起電機的優點是特別簡單,所用材料僅為兩套輸液管和少量裸銅線及細絲線便實現了水電分離,對來水處和去水處無特別要求．圖2中的G、H導體分離口用輸液管滴泡加控制閥門構成;B、C感應環用導線環繞而成,位置在滴水口下方約0.7R處,每個感應環的導線下端連接至對方輸液管滴泡下部;驗電幡用細絲線在繞制B、C感應環時夾于銅線中即可．演示時只需將兩輸液管連接于同一水瓶或水槽并控制閥門實現水滴滴落即可,稍等即可發現驗電幡的細絲線張開,顯示B、C感應環有凈電荷產生．滴速越快,等待時間越短．該裝置的缺點是由于沒有儲電裝置,能積累的電荷量較少,不能驅動如驗電擺等需要消耗靜電的驗電顯示裝置．

圖3 簡易水電分離式開爾文滴水感應起電機實物圖

圖4是自制的較經典的簡易開爾文滴水感應起電機,框架由不導電的線槽制作(材料和結構以及形狀可隨意更改,框架的目的是提供一個絕緣的固定結構)．圖2中的容器A用塑料輸液瓶剪掉部分底面制成,導體為水;G、H導體分離口用輸液管加控制閥門構成,以確保水從分離口滴落;B、C感應環用導線環繞薄塑料管而成,位置在滴水口正下方約0.7R處置于線槽內,薄塑料管作用是避免水滴與感應環的可能接觸,裸導線沿線槽下行并編織于底座框架上以實現分別與可移動的E、D導體儲存器電接觸;E、D導體儲存器用易拉罐剪掉上蓋制成;驗電擺球由鋁箔做成空心小球,用細線懸于E、D之間．E、D導體儲存器的易拉罐與驗電擺可能接觸的區間用砂紙去掉表面漆．演示時只需將容器A中倒入水并控制控制閥門實現水從G、H滴口滴落即可,稍等即可發現驗電擺自發擺動,顯示E、D導體儲存器有異種電荷產生．滴速越快,等待時間越短．亦可用驗電器接觸E或D導體儲存器顯示靜電荷的存在．

圖4 經典開爾文滴水感應起電機實物圖

上述兩種起電機都需要解決給水和排水問題,演示操作比較復雜,且容易因水滴濺射等原因導致裝置短路,影響演示效果．

圖5是自制的可翻轉式滴水感應起電機,克服了上述缺點．所需材料為4個同款礦泉水瓶、少量裸銅線、輸液導管、細絲線及熱熔膠．制作方法為:將4個瓶蓋中間打孔并穿入一段輸液導管形成圖2中的G、H導體分離口;用一段裸銅線穿過兩段輸液導管后將4個瓶蓋成對膠封,裸銅線的作用是實現滴落前兩水瓶中水的電聯通;將2個礦泉水瓶旋緊到瓶蓋上后膠連,瓶頸處用裸銅線繞制圖2中的B、C感應環,并將導線插入對方瓶底,另2個水瓶裝填半瓶水后如法制作,繞制感應環應注意位置在滴水口下方約0.7R處;驗電幡用細絲線在繞制感應環時夾于銅線中即可．完成后在4個礦泉水瓶中部用細針打出合適的小孔,以控制水滴的滴速．演示時只需將裝置倒置,稍等即可發現驗電幡的細絲線張開,顯示B、C感應環有凈電荷產生．滴速越快,等待時間越短．

圖5 可翻轉式滴水感應起電機實物圖

由于用小孔控制換氣量以控制水滴的滴速,所需小孔很小,容易被水封堵,使水滴不能按設想的情況滴落,造成演示失?。捎幂斠簩Ч茉趯纳?、下礦泉水瓶中間部位建立聯通通道,并用控制閥控制換氣量,實現對滴速、分離點的控制．

以上3種簡易起電機所用的可分離導體都是水,優點是易得,缺點是水滴控制較煩瑣,并且用水作為可分離導體,對保證電路間的絕緣性提出了較高要求．為克服這些缺點,可選用導電沙作為可分離的導體,利用沙漏原理固定落沙速度,使整個裝置不需要任何調整和控制就能正常工作,提高了裝置的美觀性和演示效果的穩定性.圖6是沙漏式靜電起電機設計示意圖[5],該設計由兩個特制的玻璃沙漏(起電部)集成而成:沙漏中所填落沙為導電沙;沙漏腰部比普通沙漏略長,上下落沙點距離約為腰部外徑的0.7倍;沙漏內底部覆導電箔并與另一沙漏腰部外繞感應線圈(感應部)相連;兩感應部間設起電顯示器件;兩沙漏上部間、下部間由導線(導電聯通件)實現導電沙之間電聯通。該起電機選用導電沙作為可分離的導體,利用沙漏原理固定落沙速度,使整個裝置不需要任何調整和控制就能正常工作,提高了裝置的集成度、美觀性和演示效果的穩定性．演示時只需要將裝置倒置即可反復演示．

圖6 沙漏式靜電感應起電機示意圖

3 結論

研制感應起電機的核心是形成一種較強的正反饋機制,影響起電效率的關鍵參數是分離點位于感應環上方0.7R附近．靜電起電機的負反饋機制主要有漏電和尖端放電,這就要求不相連的電路間需保證良好的絕緣性,電路中的所有器件盡量避免尖銳外形的出現．

本文列舉的3款簡易感應起電機具有原材料易得、制作工藝簡單、關鍵參數明確、演示效果穩定的特點,可供教師和學生自制教具時借鑒參考．