开尔文流水起电趣味实验教学演示器论文和设计-唐守平

全文摘要

本实用新型公开了开尔文流水起电趣味实验教学演示器，包括底座，所述底座上设置有两个支撑管，两个支撑管的顶部通过直角弯头设置有连接管，所述支撑管上设置有开口竖直放置的感应线圈，所述感应线圈通过绝缘连接柱与支撑管固定，所述感应线圈的正下方设置有金属盆，所述金属盆的下方设置有绝缘支架，两个金属盆和两个感应线圈之间交叉连接有导线，所述感应线圈的正上方的连接管上设置有喷水头，所述喷水头与软水管连接，所述软水管与直流电小水泵的一端连接，小水泵的另一端通过水管放入盛水容器内。本实用新型，能够提高起电速度，增大起电功率，提高了起电电压，能较好演示的水柱散开、静电摆、电风轮、尖端放电火花等趣味放电现象。

主设计要求

1.开尔文流水起电趣味实验教学演示器，包括底座（1），所述底座（1）上设置有两个支撑管（2），两个支撑管（2）的顶部通过直角弯头设置有连接管（3），所述支撑管（2）上设置有开口竖直放置的感应线圈（4），所述感应线圈（4）通过绝缘连接柱(5)与支撑管（2）固定，所述感应线圈（4）的正下方设置有金属盆（6），所述金属盆（6）的下方设置有绝缘支架，两个金属盆（6）和两个感应线圈（4）之间交叉连接有导线，其特征在于，所述感应线圈（4）的正上方的连接管（3）上设置有喷水头（3-1），所述喷水头（3-1）与软水管连接，所述软水管与直流电小水泵的一端连接，小水泵的另一端外接软水管放入盛水桶内。

设计方案

2.根据权利要求1所述的教学演示器，其特征在于：所述支撑管（2）的底部侧壁上设置有第一通孔（2-4），所述软水管的一端从第一通孔（2-4）内接入，经过支撑管（2）和连接管（3）的内部，并与连接管（3）上的喷水头（3-1）连接。

3.根据权利要求2所述的教学演示器，其特征在于：所述支撑管（2）包括第一支撑管（2-1）和第二支撑管（2-2），所述第二支撑管（2-2）通过连接套头（2-3）设置于第一支撑管（2-1）的上方，所述连接套头（2-3）的一端插入第一支撑管（2-1）上，连接套头（2-3）的另一端内插接有第二支撑管（2-2），所述第二支撑管（2-2）与连接套头（2-3）之间上下活动连接。

4.根据权利要求1所述的教学演示器，其特征在于：所述绝缘支架放置于底座（1）上，所述绝缘支架包括立柱（7-1）和设置在立柱（7-1）两端的两组交叉绝缘板（7-2），所述金属盆（6）放置在交叉的绝缘板（7-2）上。

5.根据权利要求4所述的教学演示器，其特征在于：所述金属盆（6）的侧边设置有第二通孔，所述金属盆（6）内设置有虹吸水管（6-1），所述虹吸水管（6-1）的一端延伸至金属盆（6）的底部，另一端经过金属盆（6）侧边第二通孔并延伸至外侧的盛水容器中，该第二通孔与虹吸水管（6-1）的结合处密封，所述虹吸水管（6-1）位于金属盆（6）内的高度小于金属盆（6）的盆口高度。

6.根据权利要求1所述的教学演示器，其特征在于：所述绝缘支架包括一长方形容器（8），在长方形容器（8）的两侧设置有两组支撑架（8-1），两个金属盆（6）通过金属盆（6）两侧设置的支撑轴（6-2）放置在两组支撑架（8-1）上，所述金属盆（6）内还设置有空心的凸起（6-3），该凸起（6-3）位于两组金属盆（6）相对的内侧面上，其重心位于两组金属盆相对的内侧。

7.根据权利要求1所述的教学演示器，其特征在于：所述感应线圈（4）上放置有金属材质的静电摆放电架（4-2），所述静电摆放电架（4-2）的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部为圆形片结构，两个静电摆放电架（4-2）上圆形片结构放置在一条直线上，两个圆形片结构中间设置有铝箔纸小球（4-3），所述铝箔纸小球（4-3）通过拉线固定在连接管（3）上。

8.根据权利要求1所述的教学演示器，其特征在于：所述感应线圈（4）上放置有金属材质的电风轮支架（4-1），所述电风轮支架（4-1）的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部上方设置有竖直的金属针（4-11），所述金属针（4-11）上水平放置一金属叶片（4-12），该金属叶片（4-12）中间设置有凹槽，金属叶片（4-12）的两端设置有水平方向相反的尖端。

9.根据权利要求1所述的教学演示器，其特征在于：所述感应线圈（4）上放置有金属材质的放电卡扣（4-4），所述放电卡扣（4-4）的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部设置有尖端部，两个尖端部相对。

10.根据权利要求7-9任一项所述的教学演示器，其特征在于：所述的感应线圈（4）为金属管。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及教学实验器材技术领域，具体涉及开尔文流水起电趣味实验教学演示器。

背景技术

开尔文滴水起电是利用水滴感应起电，巧妙引入正反馈，不断积累电荷产生高压静电，现象新奇有趣。但该装置传统制作方法大多基于滴水，起电较慢，功率较小，能够演示的放电现象较少。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型的主要目的之一是提供开尔文流水起电趣味实验教学演示器，能够提高起电速度、功率、电压；

本实用新型的另一个主要目的之一是提供开尔文流水起电趣味实验教学演示器，能够模拟不同的放电现象；

本实用新型的另一个主要目的之一是提供开尔文流水起电趣味实验教学演示器，能够实现水流循环使用达到长时间演示的目的。

（二）技术方案及有益效果

以上目的本实用新型通过以下技术方案予以实现：

开尔文流水起电趣味实验教学演示器，包括底座，所述底座上设置有两个支撑管，所述支撑管上设置有三通管，所述三通管的一侧设置有绝缘连接柱，所述绝缘连接柱与感应线圈的侧面固定连接，感应线圈竖直放置，所述三通管的上方连接有90度直角弯管，两个90度直角弯管之间通过连接管固定，所述感应线圈的正下方设置有金属盆，所述金属盆的下方设置有绝缘支架，两个金属盆和两个感应线圈之间交叉连接有导线，所述感应线圈的正上方的连接管上设置有喷水头，所述喷水头与软水管连接。

优选的，所述支撑管包括第一支撑管和第二支撑管，所述第一支撑管位于第二支撑管的下方，所述第一支撑管通过连接套头与第二支撑管之间上下活动连接，可调节第二支撑管高度，所述连接套头的一端插入第一支撑管上，连接套头的另一端内插接有第二支撑管，所述的三通管设置于第二支撑管上。

优选的，所述第一支撑管的底部侧壁上设置有第一通孔，所述软水管的一端从第一通孔内接入，经过第一支撑管、第二支撑管和连接管，并与连接管上的喷水头连接，两个软水管的另一端与直流电（24v,较220v交流电安全）小水泵的一端连接，小水泵的另一端外接软水管并将软水管放入盛水桶内的水中。

优选的，所述感应线圈上放置有金属材质的静电摆放电架，所述静电摆放电架的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部为圆形片结构，两个静电摆放电架上圆形片结构在一条直线上，两个圆形片结构中间设置有铝箔纸小球，所述铝箔纸小球通过拉线固定在连接管上。

优选的，所述感应线圈上放置有金属材质的电风轮支架，所述电风轮支架的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部上方设置有竖直的金属针，所述金属针上水平放置一金属叶片，该金属叶片中间设置有凹槽，金属叶片的两端设置有水平方向相反的尖端。

优选的，所述感应线圈上放置有金属材质的放电卡扣，所述放电卡扣的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部设置有尖端部，两个尖端部相对，尖端部之间的距离为X，10<X<15mm。

优选的，所述绝缘支架放置于底座上，所述绝缘支架包括立柱和设置在立柱两端的两组交叉绝缘板，所述金属盆放置在交叉的绝缘板上。

优选的，所述金属盆的侧边设置有第二通孔，所述金属盆内设置有虹吸水管，所述虹吸水管的一端延伸至金属盆的底部，另一端经过金属盆侧边第二通孔并延伸至外侧的水桶中，该第二通孔与虹吸水管的结合处密封，所述虹吸水管位于金属盆内的高度小于金属盆的盆口高度。

优选的，所述绝缘支架放置于底座上，所述绝缘支架包括一长方形容器，在长方形容器的两侧设置有两组支撑架，两个金属盆通过金属盆两侧设置的支撑轴放置在两组支撑架上，所述金属盆内还设置有空心的凸起，该凸起位于两组金属盆相对的内侧面上，其重心位于两组金属盆相对的内侧。

优选的，所述支撑管、连接管为透明塑料管。

优选的，感应线圈优选为金属管如不锈钢管。

有益效果：

本实用新型将滴水改为流水，用小水泵供水，提高水流速度，其次，扩大装置尺寸、用透明塑料管作为支架，增加了绝缘性。这样便提高了起电速度，增大了起电功率，也提高了起电电压。实现水柱带电相斥而散开、锡泊小球快速摆动和放电叶轮快速旋转同时演示、约12mm长电弧放电等趣味放电现象，通过在金属盆内设置虹吸水管还能够演示虹吸现象，通过另一个方案将支架设置于长方形容器上和在容器内设置空心凸起能够演示欹器现象，大大提高了实验效果。改进后的装置更有利于科普和物理静电演示实验教学。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型原理结构示意图；

图3为绝缘支架一种方案结构示意图；

图4为绝缘支架另一种结构示意图；

图5为静电摆放电架结构示意图；

图6为电风轮支架结构示意图；

图7为放电卡扣结构示意图；

图8为连接套头结构示意图；

图9为喷水头剖视结构示意图；

图中：1底座、2支撑管、2-1第一支撑管、2-2第二支撑管、2-3连接套头、2-4第一通孔、3连接管、3-1喷水头、4感应线圈、4-1电风轮支架、4-11金属针、4-12金属叶片、4-2静电摆放电架、4-3铝箔纸小球、4-4放电卡扣、5绝缘连接柱、6金属盆、6-1虹吸软水管、6-2支撑轴、6-3凸起、7-1立柱、7-2绝缘板、8长方形容器、8-1支撑架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，为本实用新型的优选方案

开尔文流水起电趣味实验教学演示器，包括底座1，所述底座1上设置有两个支撑管2，所述支撑管2上设置有三通管，所述三通管的一侧设置有绝缘连接柱5，所述绝缘连接柱5与感应线圈4的侧面固定连接，感应线圈4竖直放置，所述三通管的上方连接有90度直角弯管，两个90度直角弯管之间通过连接管3固定，所述感应线圈4的正下方设置有金属盆6，所述金属盆6的下方设置有绝缘支架，两个金属盆6和两个感应线圈4之间交叉连接有导线，所述感应线圈4的正上方的连接管3上设置有喷水头3-1，所述喷水头3-1与软水管连接。

参见图2所示，对本方案的工作过程和水流飞花现象进行解释，将小水泵进行通电后，水从两感应线圈4（不锈钢管）的上方流出向下经过不锈钢管（不锈钢管A、B）中间落入下面的金属盆（C、D）中。此装置的每一部分开始时几乎都不带电，由于水中有正负离子(正负电荷)，水流可能偶然地把极微量的电荷带给金属盆C或D，造成CD两盆带电不平衡。

假设C获得微量正电荷，则与之相连的B也有一定的正电荷。由于静电感应作用，B上的正电荷会吸引负电荷到右边的水流中，水流携带负电荷下落到D内，D带负电，与之相连的A也带负电荷，它将会吸引正电荷到左边的水流中，水流携带的正电荷下落到C中，这样C中的正电荷增加了，B的正电荷也增加了。这个正反馈过程使每个盆和感应线圈获得更多的电荷，形成更强的静电感应，如此这般积少成多，循环进行，电荷积累量随时间极速增长，一会儿便能在两金属盆之间建立起万伏以上的高电压。

这样，水流从水管端口流出后经感应线圈落入下方容器刚开始是水流，几秒后，水流便散开，水花向四周飞溅，犹如天女散花一般。

作为优选另一种方案，所述支撑管2包括第一支撑管2-1和第二支撑管2-2，所述第一支撑管2-1位于第二支撑管2-2的下方，所述第一支撑管2-1通过连接套头2-3与第二支撑管2-2之间上下活动连接，所述连接套头2-3的一端插入第一支撑管2-1上，连接套头2-3的另一端内插接有第二支撑管2-2，所述的三通管设置于第二支撑管2-2上。这种结构使得支撑管的高度可以调节，连接套头2-3的上端开口与第二支撑管2-2的直径接近，在需要调节高度时，上下拔动第二支撑管2-2即可，也可以在连接套头2-3的上端开口上设置不锈钢卡箍对第二支撑管2-2进行固定。感应线圈4下方与金属盆6的高度不同也会对起电速度产生影响，可调结构可以进行演示。

作为优选方案，所述第一支撑管2-1的底部侧壁上设置有第一通孔2-4，所述软水管的一端从第一通孔2-4内接入，经过第一支撑管2-1、第二支撑管2-2和连接管3，并与连接管3上的喷水头3-1连接，两个软水管的另一端与小水泵连接。将软水管设置于支撑管2内便于器材设备的简洁，小水泵的一端放置有水桶，携带方便。

作为优选方案，所述感应线圈4上放置有金属材质的静电摆放电架4-2，参见图5，能够演示静电摆动现象，所述静电摆放电架4-2的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部为圆形片结构，两个静电摆放电架4-2上圆形片结构在一条直线上，两个圆形片结构中间设置有铝箔纸小球4-3，所述铝箔纸小球4-3通过拉线固定在连接管3上，在静电产生后，铝箔纸小球4-3会被吸引并放电，随之小球在两圆形片之间快速振荡起来，并有碰撞声。

作为优选方案，所述感应线圈4上放置有金属材质的电风轮支架4-1，参见图6所述电风轮支架4-1的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部上方设置有竖直的金属针4-11，所述金属针4-11上水平放置一两端水平方向相反的尖端部金属叶片4-12，该金属叶片4-12中间设置有凹槽，在静电产生后，会在金属叶片的两个尖端部进行放电，叶轮便转动起来，且越转越快。

作为优选方案，所述感应线圈4上放置有金属材质的放电卡扣4-4，参见图7，所述放电卡扣4-4的一端为U形结构，另一端的延伸部与U形结构的一端垂直，在延伸部的端部设置有尖端部，两个尖端部相对，尖端部之间的距离为X，10<X<15mm，在静电产生后，两尖端部出现闪亮的电弧火花，长度能达到12毫米左右，伴随着放电声。

上述静电摆放电架、电风轮支架、放电卡扣的U形结构均倒置在感应线圈上，方便演示，放电卡扣在图1中没有画出，其放置位置与静电摆放电架的位置相同。

作为优选方案，参见图3，所述绝缘支架放置于底座1上，所述绝缘支架包括立柱7-1和设置在立柱两端的两组交叉绝缘板7-2，所述金属盆6放置在交叉的绝缘板7-2上。

作为优选另一种方案，所述金属盆6的侧边设置有第二通孔，所述金属盆6内设置有虹吸水管6-1，参见图1，所述虹吸水管6-1的一端延伸至金属盆6的底部，另一端经过金属6盆侧边第二通孔并延伸至外侧的水桶中，该第二通孔与虹吸水管6-1的结合处密封，所述虹吸水管6-1位于金属盆6内的最大高度小于金属盆的盆口高度。该结构设置利用虹吸原理，在水流下落过程中，金属盆6内会逐渐积水，在积水漫过虹吸水管的最高处后，由于虹吸原理，金属盆6内的积水即会全部流出到外侧的水桶中，小水泵连接的进水水管放在水桶中即可实现水循环和长时间的演示。

作为优选的又一种方案，所述绝缘支架放置于底座1上，所述绝缘支架包括一长方形容器8，参见图4，在长方形容器8的两侧设置有两组支撑架8-1，两个金属盆6通过金属盆6两侧设置的支撑轴6-2放置在两组支撑架8-1上，所述金属盆6内还设置有空心的凸起6-3，该凸起6-3位于两组金属盆6相对的内侧面上，其重心位于两组金属盆6相对的内侧，由于金属盆6的重心位于内侧，在水流进入金属盆6后，重心会向两侧移动，在达到一定高度后，金属盆6便会发生倾斜，将金属盆6中的水倒入长方形容器8内，如此循环，这种现象即为欹器的原理，小水泵连接的进水管放入在该长方形容器内进行循环供水，即可实现该演示器长时间演示。

需要说明的是：

关于储水盆有三个方案，方案一为如前面所述，盆中水储存满后，关闭小水泵电源，停止演示，系统放电后，将盆中水倒回塑料桶中，之后再进行起电放电演示。方案二，在储水不锈钢盆中加入虹吸管，水达盆容量五分之四，即超过虹吸管顶部时，水自动从虹吸管下端口中流出，进入水泵水源桶中。这样演示不仅增加了虹吸现象新看点，且演示具有连续性。方案三，将不锈钢盆中下部用两根水平轴支撑起来，内加小容器配重，将盆变为欹器，其空则倾斜，储水一半时，盆中正，水储存满了，盆自动倾倒，将水倒入下面桶中。欹器警示人们，谦受益，中则正，满招损。这样加入了传统文化元素，添加了新的教育意义，同样演示具有连续性。改进后的装置更有利于科普和物理静电演示实验教学。

上述实施例中，水桶和长方形容器内均存有水，为小水泵供水，支撑管、连接管和软水管均选用透明材质，便于演示观察。

绝缘问题：水流在下落过程中，与下方储水容器的水带有同种电荷而受到排斥。形成水花向四周发散。如果两储水容器靠得比较近，则两水花交叉漏电，四溅的水流在一起也容易造成短路，无法形成高压。若出现漏电，就会发现形成的水花变小。要想做好这个实验，必须提高设备的绝缘性能。本装置提高感应线圈与储水盆之间距离，也可提高绝缘性。

尖端放电问题：感应线圈边缘、反馈交叉线的两头，因为有毛刺在强电场下会放电从而影响电荷的积累，响放电效果。可用石蜡涂在上面密封起来，尽量减少漏电。亦可以用稍粗一点的铜导线用双线绕制成感应线圈，把线头放入储水器内部。这样可避免尖端放电问题，不用石蜡封闭，影响也不大。

水流速度问题：水流速度直接影响起电效果。有的文章介绍要用滴水，用阀门控制滴水速度，阀门通过软管接到上面的水箱里。水箱架得高，才能形成快速水流。水流不能太快也不能太慢，将水滴控制在即将形成线性水流的状态。太快形成水流引起短路，太慢积累电荷慢，起电时间长。

我们通过实验发现，不是这么回事，不一定要滴水，用流水效果更好，起电更快，水流要粗，太细了功率较小。我们的做法是把上面的水箱换掉，直接把出水管通过一个三通接到小水泵上，水流快又粗。开关闭合，几秒之后就会产生起电现象，并且效果很好。

感应线圈问题：感应线圈既可用铜导线绕制，也可以用感应线圈做成。经过实验发现：圈的直径大小要适当，不能太小也不能太大，一般以直径120mm左右，且感应线圈上端离软管出水口尽量靠近。

储水容器问题：下面的储水容器的既可用导电的金属容器，也可用不导电的塑料容器。如果用塑料容器，与感应线圈连接的反馈导线的线头要放在容器底部，要与容器里面的水相接触。如果是金属容器，则容器边要圆滑，去除棱角，以防尖端放电。做实验时两容器之间要绝缘，不能有水渍。做实验时尽量避免水花喷洒到外面。我们采取的措施是用立柱把两容器支撑起来。

反馈导线问题：反馈导线在感应线圈与储水容器之间必须交叉连接并且做好线的绝缘；两导线不要靠近，尽量远离放置，增大绝缘，才能提高电压。。

设计图

开尔文流水起电趣味实验教学演示器论文和设计

开尔文流水起电趣味实验教学演示器论文和设计-唐守平

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