物理實(shí)驗(yàn)：開爾文滴水器測空氣擊穿場強(qiáng)作者：20111119張朝20111135賀天胤20111113張雪晶一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握開爾文滴水器的工作原理和使用方法。2.了解并取得電場不均勻系數(shù)f。3.測量空氣擊穿電壓，計(jì)算得出電場擊穿場強(qiáng)。二、實(shí)驗(yàn)儀器開爾文滴水器，100Kv高壓靜電電壓表一只，球間隙直徑D為5cm，游標(biāo)卡尺，毛皮，橡膠棒，水（H2O），鹽水(NaCl)三、實(shí)驗(yàn)原理水桶有兩個(gè)孔用來滴水（或其他液體），每個(gè)孔流出水滴各自通過一個(gè)導(dǎo)電環(huán)流到相應(yīng)的桶里。每個(gè)桶必須是相互和與周圍其他物體電氣相互隔離。左手的桶通過電線與右邊的導(dǎo)電環(huán)相連接導(dǎo)通，同樣右手的桶通過電線與左邊的導(dǎo)電環(huán)相連接導(dǎo)通。重要的是，每個(gè)環(huán)放置于第一滴水滴過的位置附近。如果桶是金屬（指揮）的導(dǎo)線可以直接連接到水桶。否則，每條線的線尾要放到桶的底部，以保證接觸到水。此裝置的每一部分開始時(shí)幾乎都不帶電，由于水中有不少離子，水滴可能偶然地把極微量的電荷帶給金屬水桶，造成水桶帶有微量電荷。任何一個(gè)桶獲得少量的不平衡電荷，就足以開始充電過程。假設(shè)左邊桶獲得一個(gè)小的正電荷?，F(xiàn)在右的導(dǎo)電環(huán)也有一定的正電荷，因?yàn)樗沁B接到左邊桶。由于靜電感應(yīng)作用，右手導(dǎo)電環(huán)上的正電荷，會(huì)吸引負(fù)電荷到右邊的水流中。右邊的水滴會(huì)攜帶負(fù)電荷滴落，最終滴到右邊的桶內(nèi)，使右邊的桶所帶負(fù)電荷增加積累。一旦左手導(dǎo)電環(huán)帶有負(fù)電荷，它將會(huì)吸引正電荷到左邊的水流中。當(dāng)水滴落到桶內(nèi)，他們攜帶的正電荷會(huì)轉(zhuǎn)移到鐵桶上并積累。因此，正電荷由于左邊導(dǎo)電環(huán)的吸引作用被吸引到左邊水流，使左邊鐵桶攜帶正電荷不斷積累。負(fù)電荷被吸引到右側(cè)水流，使右邊鐵桶攜帶負(fù)電荷不斷積累。這個(gè)正反饋過程使每個(gè)桶和導(dǎo)電環(huán)獲得更多的電荷，形成更強(qiáng)的靜電感應(yīng)，如此這般積少成多，循環(huán)進(jìn)行，電荷分離速度逐步加快電荷積累量隨時(shí)間呈指數(shù)增長，一會(huì)兒便能在兩根金屬箱之間建立起一萬五千伏以上的高電壓。最后，當(dāng)兩個(gè)水桶已成為高電荷，可能會(huì)看到一些效果。電火花可能會(huì)瞬時(shí)在的兩個(gè)桶或環(huán)的圓弧之間產(chǎn)生，從而降低每個(gè)桶上的電荷?；蛘呷绻@是種情況不容易發(fā)生，水桶將擊退下跌對(duì)他們的水滴，并可能使帶點(diǎn)水滴落不到桶內(nèi)?；蛘唠姾勺銐虼髸r(shí)，水滴也可能被吸引到導(dǎo)電環(huán)上，電荷通過與相反電荷中和，使帶電量暫時(shí)下降。這些影響都將限制裝置達(dá)到電壓的極限。關(guān)于在實(shí)驗(yàn)初期出現(xiàn)的幾個(gè)問題：A．出水孔與圓柱面的高度：本實(shí)驗(yàn)中放電所釋放的能量是從哪里來的呢，其實(shí)是水流從高處流下，由重力做功轉(zhuǎn)化而來，因此，出水口與圓柱面的高度就需要進(jìn)一步的探究，是否出水孔與圓柱面的高度取的越高，它電量的積累也就越快，我們專門采用了可升降的實(shí)驗(yàn)裝置，通過對(duì)出水孔與圓柱面的高度的控制，來觀察電量的積累變化以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。初步設(shè)想高度可變化的范圍在0-100CM（可改動(dòng)，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置）之間。B、關(guān)于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果的一點(diǎn)設(shè)想：在本實(shí)驗(yàn)論文中我們已經(jīng)介紹過了電荷積累，起電的一些原理，電荷電壓的產(chǎn)生實(shí)際上是通過水的電離實(shí)現(xiàn)的，但是水是弱電解質(zhì)，電量的積累是否能夠更快，也是我組想要提升實(shí)驗(yàn)裝置效果的一個(gè)途徑，因此我們設(shè)想在使用的液體上面做文章，因?yàn)閺?qiáng)酸弱堿或強(qiáng)堿弱酸電解質(zhì)的電離有的會(huì)產(chǎn)生氣體，有的會(huì)產(chǎn)生沉淀，并且成本過高，因此不予考慮，我們初步的設(shè)想是用NACI（氯化鈉）溶液作為電解質(zhì)溶液，因?yàn)槁然c溶液導(dǎo)電性強(qiáng)，，成本低廉，因此首先考慮它，但是加強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性以及起電性，能否實(shí)施在于具體的實(shí)驗(yàn)操作當(dāng)中。開爾文滴水發(fā)電機(jī)的簡易裝置如示意圖。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算擊穿場強(qiáng)與實(shí)測結(jié)果對(duì)照表球隙直徑球隙間距s(cm)Em計(jì)算值（Kv/cm）Em實(shí)驗(yàn)值(Kv/cm)誤差(%)D=5cm1.231.8841.532.2601.832.871233.3722.534.853336.5643.538.432440.411經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算擊穿場強(qiáng)與實(shí)測結(jié)果對(duì)照表八、可行性分析 電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中常用氣體作為絕緣介質(zhì)。但是，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定書之后，氣體就會(huì)失去絕緣能力，從而造成事故。氣體絕緣要解決的問題主要是如何選擇合適的絕緣距離以及如何提高氣體間隙的擊穿電壓。但由于氣體放電理論至今很不完善，實(shí)際上無法對(duì)擊穿電壓進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。工程上的設(shè)計(jì)問題常借助于實(shí)驗(yàn)規(guī)律來分析解決或者直接由試驗(yàn)決定，因此，在經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索空氣放電的機(jī)理和電極擊穿強(qiáng)度的計(jì)算，具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)基于氣體的介電特性和放電理論，并借鑒經(jīng)典放電理論提出的空氣擊穿過程，利用凱爾文水滴實(shí)驗(yàn)器來測量空氣中的擊穿電壓，凱爾文水滴實(shí)驗(yàn)器是一個(gè)簡易便捷的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠使用比較少的資源來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模緦?shí)驗(yàn)中通過一個(gè)量變到質(zhì)變的過程，達(dá)到放電的效果，從而得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)處理，就可以算出空氣中的場強(qiáng)擊穿電壓。凱爾文水滴實(shí)驗(yàn)器的概念來源于美國大學(xué)（可添加）的一位資深教授，通過我們能夠理解的一些基本概念，由簡便的裝置實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)涉及了尖端放電原理，場強(qiáng)擊穿原理，電荷在帶電場中運(yùn)動(dòng)原理，以及能量的轉(zhuǎn)換，符合科學(xué)基本原理，因?yàn)樯婕案拍畈簧睿覀円呀?jīng)掌握的原理為本實(shí)驗(yàn)提供了充足的理論支持，本實(shí)驗(yàn)裝置器材容易收集，均來源于日常的生活中，價(jià)格便宜，容易購買，實(shí)驗(yàn)裝置簡便易于安裝，本實(shí)驗(yàn)成本較低，實(shí)驗(yàn)效果明顯，便于達(dá)到，易于觀察，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)變量的控制，如小球的直徑，水流的高度（可添加），具有較高的實(shí)驗(yàn)精確度，本實(shí)驗(yàn)本身要求的環(huán)境因素幾乎為零，在各種環(huán)境下均可進(jìn)行，可測出在不同環(huán)境中的空氣擊穿電壓，本實(shí)驗(yàn)簡便充滿趣味，通過量變到質(zhì)變的積累，將微小的實(shí)驗(yàn)效果放大，本實(shí)驗(yàn)理論原理我組的三位成員已經(jīng)完全掌握，因此本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于動(dòng)手實(shí)踐，我組的三位成員具有很強(qiáng)的動(dòng)手能力與實(shí)踐精神，學(xué)習(xí)應(yīng)變能力也很強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)在實(shí)驗(yàn)裝置的制作上的突發(fā)要求，對(duì)于此實(shí)驗(yàn)，我們有著充分的時(shí)間準(zhǔn)備以及心理準(zhǔn)備，我組的成員對(duì)于此實(shí)驗(yàn)有信心能夠做好做成功。 九、實(shí)驗(yàn)裝置及其預(yù)算1.兩個(gè)導(dǎo)體桶（50RMB）2.一個(gè)開關(guān)水龍頭（30RMB）3．4塊金屬板（50RMB）4．一個(gè)可自由升降的金屬支架（100RMB）5.若干導(dǎo)線（2RMB）6.若干不同大小的金屬小球（30RMB）7.電壓電流電量表（300RMB）8．焊接（5RMB）總體成本=50+30+50+100+2+30+300+5=567RMB參考文獻(xiàn)ADDINEN.REFLIST嚴(yán)璋，朱德恒．高電壓絕緣技術(shù)（第二版）．北京