干货 | 格物致知之一滴水起电机

英国科学家开尔文于1867年发明了一个装置，用于产生很高的电压，后人称这个装置为开尔文滴水起电机。
　　

开尔文滴水起电机的构造相当简单。如图(01)，最上面是一个水槽A，水槽下面接一个控制水流大小的开关，然后经一个三通管把水流分成两路。水槽是接地的，所以在现代条件下上面的水槽可以直接用自来水管代替。
　　

出水的两个滴嘴下面是B、C两个导体环，水滴可以通过这两个导体环滴到下面的两个导体桶D和E里面。B和C两个导体环以及D和E两个导体桶必须彼此均良好地互相绝缘。环B和桶E、环C和桶D用导线联接。
　　

在上面的水槽A中注入一定量的普通的水，水槽中的水通过两个滴嘴滴下，经过两个环B和C落到桶D和E中。两个桶D和E就会带电，彼此之间产生相当高的电压。不需要很多，只需要几杯水，就可以使D与E之间电压达到数万伏特或者更高，这可以从验电器H中两片金箔张开看出来。如果D和E两个导体桶距离比较近，甚至可以在D和E之间产生火花放电。如果两个桶之间的距离和两个环之间的距离都比较远，最终可能水滴在高电压作用下乱飞，飞到导体环B和C上，溅到各处的水破坏了各处的绝缘，实验也就结束了。

图(01)  开尔文滴水起电机
　　

几杯普通的水，怎么就会产生这么高的电压呢？
　　

为解释高电压的成因，请看图(02)。

图(02)  滴水起电机工作原理
　　

图(02)略去了绝缘支架，只保留了滴嘴以及水流A、两个导体环B和C、两个导体桶D和E。图中还画出了导体环B上方滴下的水滴F和导体环C上方滴下的水滴G。
　　

水滴尚未滴下时，两个环和两个桶之间电压并不为零，二者之间总会有微小的电压。这个微小的电压，可能是因为有风吹过(如果哪位不相信，请问问留长发的女士，在大风天是否有过头发带电粘在一起的经历)，可能是人手摸过(别忘了，人的心脏不停跳动，心电图显示人体上不同部位之间具有至少数毫伏的电压)……总之，和电路中的热噪声一样，二者之间电压不会是零。
　　

假定左边桶D(连同右边环C)带微小负电，右边桶D(连同左边环B)带微小正电。在图(02)中我们用红色表示带正电，蓝色表示带负电。那么，环B和环C将使A管中的水里面电荷重新分布，左边流出的水滴F因B环带正电，将带有微量负电荷，而右边流出的水滴G因C环带负电，将带有微量正电荷。
　　

滴下来的水滴，F带负电荷，G带正电荷。F和G落到桶D和桶E时，又会把自身所带电荷传递给桶D和桶E，使桶D和桶E之间电压升高。自然，环B和环C之间电压也升高。继续滴下来的水滴就会带上更多的负电荷和正电荷。继续滴下来的水滴落到桶中后，会使桶D和桶E之间电压更加增大。如此继续下去，滴下来的水滴带电越来越多，桶D和桶E之间电压越来越高。显然，这是个正反馈过程。此过程一直要持续到两桶或者两环之间发生火花放电，或者水滴受静电力飞到环上破坏绝缘为止。
　　

显然，图(01)所示装置具有发电的能力，是个电源。
　　

电源，定义为非电场力对电荷做功，其它形式的能量转换成电能的装置。那么，“开尔文滴水起电机”是什么力在做功？什么形式的能量转换成了电能？
　　

由图(02)，非常明显，落下的水滴所带电荷与桶所带电荷符号相同，水滴受到桶的斥力，水滴受到的静电力方向是向上的。由于水滴受到方向向上的力，水滴落到桶中的速度就会比没有受到静电力时小一些。换言之，水的重力势能没有完全转换成水滴的动能，而有一部分转换成了电能。
　　

带电水滴落下时是断续的，这种断续的电荷在运动，是否构成电流？
　　

带电水滴这种断续的电荷运动，当然构成电流。虽然带电水滴不连续，但电流的定义是“电荷的定向运动”，并没有要求连续。导体如铜、铁中自由电子的定向运动，叫传导电流；水滴这样带电物体的运动构成的电流，叫运流电流。这两种电流的共同点，是都会产生磁效应。顺便说一句：电场的变化也会产生磁效应，麦克斯韦称之为“位移电流”，但电场的变化并没有电荷在运动。

图(03)  开尔文
　　

开尔文是谁？怎么会想到搞这种起电机？
　　

开尔文本名威廉·汤姆逊，14岁入读格拉斯哥大学，后来到剑桥大学学习，还曾到法国留学。威廉·汤姆逊在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学都有相当的贡献，并且主持了跨大西洋海底电缆的技术工作，因此在1866年被封为爵士。后来又于1892年被封为开尔文勋爵。正因为他在热力学上的突出贡献，第10届国际计量大会才把热力学温度定名为“开尔文”。
　　

开尔文于1867年制作了上述的实验仪器，当时跨大西洋海底电缆已经完成，他也早在1851年就提出了热力学第二定律。19世纪末，开尔文是物理学界泰斗级的人物。开尔文之所以制作了这么一个今天我们看起来像是玩具一般的仪器，目的就是想实验一下不同于利用法拉第电磁感应定律的发电机的发电设备，将机械能转换成电能。
　　

今天我们看起来这种“开尔文滴水起电机”并没有多大的实际用途：它确实能够将机械能转换成电能，能够产生相当高的电压(产生数厘米距离上的火花放电)，产生的电流却非常微小。
　　

然而，这个看起来没有什么用处的“开尔文滴水起电机”，却在60多年后令荷兰物理学家范德格拉夫受到启发，得到了实际应用。详情请看后续的《格物致知之二 范德格拉夫起电机》。