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1、第十五届广东省大学生物理实验设计大赛应用题培训资料物理实验：开尔文滴水器测空气击穿场强设计一个滴水放电装置作品要求：（1）基本要求：制作一个基于开尔文滴水器原理的装置，产生放电现象；（2）拓展：研究相关物理机制和影响因素、进行定量分析，或者做应用拓展。主要评判依据：（1）物理原理及主要影响因素；（2）实验方案创新点，及应用的创新点；（3）佐证的实验数据和不确定度分析；（4）放电效果明显程度，装置性价比。背景资料：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。该装置中，储水罐有两个孔用来滴水，每个孔流出的水滴分别通过左右两个导体环
2、中间圆孔滴入下方水桶里。左边的桶通过电线与右边的导电环相连导通，右边的桶与左边的导电环相连导通。每个桶必须是相互并与周围其它物体电气相互隔离。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。例如，假设左边桶获得一个小的正电荷，通过导线使右导电环也有一定的正电荷。由于静电感应作用，右导电环上的正电荷，会吸引负电荷到右边的水滴中。右边携带负电荷的水滴滴到右边的桶内，使右边的桶所带负电荷增加。因而通过连接的导线使左导电环带有负电荷，它将吸引正电荷到左边的水滴中，当水滴落到桶内，它们携带的正电荷会转移到金属桶上并积累。因此，由于左边导
3、电环的吸引作用，部分正电荷被吸引到左边水流，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，效应倍增，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，在两个桶或环之间会击穿空气，产生放电现象。水滴不断，此放电现象将持续，极具观赏性。物理实验及应用：开尔文滴水器测空气击穿场强一、实验目的1.掌握开尔文滴水器的工作原理和使用方法。2.了解并取得电场不均匀系数f。3.测量空气击穿电压，计算得出电场击穿场强。二、实验仪器开尔文滴水器，100Kv高压静电电压表一只，球间
4、隙直径D为5cm，游标卡尺，毛皮，橡胶棒，水（H2O），盐水(NaCl)。三、实验原理水桶有两个孔用来滴水（或其他液体），每个孔流出水滴各自通过一个导电环流到相应的桶里。每个桶必须是相互和与周围其他物体电气相互隔离。左手的桶通过电线与右边的导电环相连接导通，同样右手的桶通过电线与左边的导电环相连接导通。重要的是，每个环放置于第一滴水滴过的位置附近。 如果桶是金属（指挥）的导线可以直接连接到水桶。否则，每条线的线尾要放到桶的底部，以保证接触到水。此装置的每一部分开始时几乎都不带电，由于水中有不少离子，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，
5、就足以开始充电过程。 假设左边桶获得一个小的正电荷。现在右的导电环也有一定的正电荷，因为它是连接到左边桶。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。一旦左手导电环带有负电荷，它将会吸引正电荷到左边的水流中。当水滴落到桶内，他们携带的正电荷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
6、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箱之间建立起一万五千伏以上的高电压。 最后，当两个水桶已成为高电荷，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，水桶将击退下跌对他们的水滴，并可能使带点水滴落不到桶内。或者电荷足够大时，水滴也可能被吸引到导电环上，电荷通过与相反电荷中和，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。关于在实验初期出现的几个问题：A出水孔与圆柱面的高度：本实验中放电所释放的能量是从哪里来的呢，其实是水流从高处流下，由重力做功转化而来，因此，出水口与圆柱面的高度就需
7、要进一步的探究，是否出水孔与圆柱面的高度取的越高，它电量的积累也就越快，我们专门采用了可升降的实验装置，通过对出水孔与圆柱面的高度的控制，来观察电量的积累变化以及对实验的影响。初步设想高度可变化的范围在0-100CM（可改动，根据实际实验装置）之间。B、关于加强实验效果的一点设想：在本实验论文中我们已经介绍过了电荷积累，起电的一些原理，电荷电压的产生实际上是通过水的电离实现的，但是水是弱电解质，电量的积累是否能够更快，也是我组想要提升实验装置效果的一个途径，因此我们设想在使用的液体上面做文章，因为强酸弱碱或强碱弱酸电解质的电离有的会产生气体，有的会产生沉淀，并且成本过高，因此不予考虑，我们初步
8、的设想是用NACI（氯化钠）溶液作为电解质溶液，因为氯化钠溶液导电性强，成本低廉，因此首先考虑它，但是加强溶液的导电性以及起电性，能否实施在于具体的实验操作当中。1. 开尔文滴水发电机的简易装置如示意图。 2.水滴示意图：四、注意事项：1. 从给B一个正的微小电荷开始，至（B,C）系统带大量正电荷结束，假设初始微扰由负电荷引起，上述过程中不会有太大变动除了（B,C）和(B,C)交换。由于初始微扰的随机性，我们无法预知哪个容器里的是负电荷。但是一旦由负电荷开始，只要有水流，它将一直保持下去。因为火花并不改变系统的状态。可是，当第二天我们又开始时B就是带正电荷了。2. 从两玻璃管下方流出的电荷流速
9、是多少？由于它们的符号相反，故导管中的水不带电。但是导管的水中有电流。如果导管和液体绝缘性都很好，这个机器将无法工作，导管出口处剩余的电荷将无法移动（没有电流从导管的一个口到另一个口通过液体或导管）。液体中分立的电荷将会很快集中到一处（为什么）。所以，导管和液体都必须有导电性。3. 这是一个成功利用了物理不稳定性的一个“活动的”例子（物理界有很多不稳定性的微扰：水斡旋，实验室利用等离子体的不稳定性成功融合金属，太阳内部的不稳定性，地球核心的火花等）。4. 有时候看起来不稳定的增长好像会否定能量守恒定律，但这里肯定不是这种情况。能量的另一种形式是通过流动供给不稳定性增长所需。在“开尔文水滴”中它
10、的重力势能给机器提供能量。五、稍不均匀场的定义和判断：（1）稍不均匀场是指电场分布并不完全均匀但是各处场强E差异不大的电场，从理论上说，只要能够求得各处场强分布就能分辨该电场均匀程度。但是由于在一般电场中的场强E的计算是难以用一个表达式来表示的，其结构也是复杂多样的，所以通过处处求解的方法在工程上并不可行。使用临界场强理论将经验和理论相结合，提出了击穿电压和击穿场强的表达式，其关系如下：Ub=d*（） 式中 d 间隙距离；Emax 曲率半径较小(球越小)电极的表面场强；f 为电场的不均匀系数。这一关系式虽然简单，参数少，但对于实际的三维场来说，这几个参数的确定也是较困难的。均匀、稍不均匀电场和
11、极不均匀电场中的击穿过程和击穿机理是不同的。但要在稍不均匀电场和极不均匀电场之问划出清楚的界限是困难的，通常用电场的不均匀系数f来区分电场的均匀程度，它是最大场强和平均场强的比值：f =（），Eav=（）通常认为f处于25的范围内都属于稍不均匀电场，当f大于5时，不均匀电场的特点就明显地表现出来了。在分析计算时，气体间隙击穿电压是根据能否维持电晕放电来划分的，如果不均匀到可以维持电晕放电的程度，就称为不均匀电场。如果电场虽然不很均匀，但还不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，必然导致整个问隙立即击穿，就称为稍不均匀电场。（2）球球电极为了方便比较各种结构电极的不均匀程度，引入电场不均匀系数
12、f，通常认为，当f5后，极不均匀电场的特点就开始明显的表现出来了。但是有的文献认为，当f处于24之间时可看作稍不均匀场，当f4以后可看做极不均匀电场。因此，稍不均匀场的判断最终还是要根据现场实验时放电能否产生稳定电晕来决定。球球电极是指由一对相同直径的金属球电极构成的空气间隙。当球球电极几 何特性系数p（p=r/d）8时，不均匀系数f4，可看做稍不均匀场；当p2.3时，f1.5即电场已经比较均匀了。因此，可以通过调节球距d与球径r之比来改变电场不均匀程度，从而造成近似均匀场和稍不均匀场。六、实验步骤：1如图安装好开尔文滴水器，选取正确的水流量和下落高。2让其中一个导电环带正电或者负电，可以自然
13、起电，也可以同毛皮摩擦橡胶棒，橡胶棒接触导电环使其带负电。3开启水流开关，控制液体流速，液体可取水（H2O）或者盐水（NaCl）。4多次取不同的球隙间距s为1.2cm、1.5cm、1.8cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm，分别多次测出、记录下实验测得的空气击穿电压。5根据f=Umax/Uaver，计算出电场的不均匀系数，当1f3，所得的数据为有效数据，才能作为实验数据。6计算平均击穿电压，根据公式E=U/d，计算出击穿空气场强。7 整理并处理数据，得出结论。六、实验数据记录与处理：近似均匀场的击穿场强测量 T=11.5,P=0.0977Mpa球隙直径D=5（cm）球隙间距s(
14、cm)击穿电压有效值(Kv)击穿电压最大值(Kv)击穿电压平均值(Kv)不均匀系数f平均击穿场强Ea（Kv/cm）1.21.51.822.533.54注：f=Umax/Uaver(当1f3，所得的数据为有效数据)七、基于经验公式计算空气击穿场强对于小间隙的均匀场和稍不均匀场，由于间隙击穿放电的分散性很小，直流及工频以及50%冲击击穿电压实际上都相同，所以可以直接利用经验公式计算间隙的击穿电压和击穿场强。击穿电压Ub=24.226.08 (Kv) （1-10）式中，d间隙距离，cm;空气相对密度。 = （1-11） p0标准气压101.03KPa；p试验室的气压，KPa；t0标准气温20；t试验
15、时的气温，。击穿场强 Eb=Ub/d （1-12）经验公式计算击穿场强与实测结果对照表球隙直径球隙间距s(cm)Em计算值（Kv/cm）Em实验值(Kv/cm)误差(%)D=5cm1.231.884 1.532.260 1.832.871 233.372 2.534.853 336.564 3.538.432 440.411 经验公式计算击穿场强与实测结果对照表八、可行性分析电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质。但是，当电场强度达到一定书之后，气体就会失去绝缘能力，从而造成事故。气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压。但由于气体放电理论至今很不完善，
16、实际上无法对击穿电压进行准确计算。工程上的设计问题常借助于实验规律来分析解决或者直接由试验决定，因此，在经典理论的基础上，继续探索空气放电的机理和电极击穿强度的计算，具有重要的理论价值和工程应用价值。本实验基于气体的介电特性和放电理论，并借鉴经典放电理论提出的空气击穿过程，利用凯尔文水滴实验器来测量空气中的击穿电压，凯尔文水滴实验器是一个简易便捷的实验装置，能够使用比较少的资源来达到实验目的，本实验中通过一个量变到质变的过程，达到放电的效果，从而得到实验数据，再通过数据处理，就可以算出空气中的场强击穿电压。凯尔文水滴实验器的概念来源于美国大学（可添加）的一位资深教授，通过我们能够理解的一些基本
17、概念，由简便的装置实现，实验涉及了尖端放电原理，场强击穿原理，电荷在带电场中运动原理，以及能量的转换，符合科学基本原理，因为涉及概念不深，我们已经掌握的原理为本实验提供了充足的理论支持，本实验装置器材容易收集，均来源于日常的生活中，价格便宜，容易购买，实验装置简便易于安装，本实验成本较低，实验效果明显，便于达到，易于观察，本实验通过对不同的实验变量的控制，如小球的直径，水流的高度（可添加），具有较高的实验精确度，本实验本身要求的环境因素几乎为零，在各种环境下均可进行，可测出在不同环境中的空气击穿电压，本实验简便充满趣味，通过量变到质变的积累，将微小的实验效果放大，本实验理论原理我组的三位成员已
18、经完全掌握，因此本实验的关键在于动手实践，我组的三位成员具有很强的动手能力与实践精神，学习应变能力也很强，能够应对在实验装置的制作上的突发要求，对于此实验，我们有着充分的时间准备以及心理准备，我组的成员对于此实验有信心能够做好做成功。九、实验装置及其预算1.两个导体桶（50RMB）2.一个开关水龙头（30RMB）34块金属板（50RMB）4一个可自由升降的金属支架（100RMB）5.若干导线（2RMB）6.若干不同大小的金属小球（30RMB）7.电压电流电量表（300RMB）8焊接（5RMB）总体成本=50+30+50+100+2+30+300+5=567RMB参考文献1 严璋，朱德恒高电压绝缘技术（第二版）北京：中国电力出版社，2007.2 邱敏昌GIS装置及其绝缘技术M北京:水利水电出版社，1994.3 杨津基气体放电M .北京：科学出版社，19834 王新新，芦明泽，蒲以康空气中大气压下均匀辉光放电的可能性J物理学报,2002 ，51 (12) ：2778-2785
