克氏滴水發電機

克氏滴水發電機 (Kelvin Water Drop)
國立彰化高級中學物理科賴文哲老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

克氏滴水發電機 (Kelvin Water Drop) 是英國科學家克爾文於1867年所發明的一種靜電產生器 。

圖一  克氏滴水發電機

裝置如圖所示，水滴由水槽A滴下，通過一個導電的金屬環B，落在地面上的導電金屬水桶C。左金屬環B’以電線連接到右金屬桶C；右金屬環B以電線連接到左金屬桶C’，但兩組裝置並不互相接觸。

此裝置的每一部分開始時幾乎都不帶電 ，由於水中有不少離子，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。本來這電量非常微少，假設C帶了微量的負電，由於導線相連接，同時金屬環B’也是負電性。此時，左側水滴脫離水桶時，由於同性電相斥異性電相吸，水滴於是帶著正電荷落入左側水桶C’。同樣的，C’的正電荷導致右側落下的水滴帶有負電荷，增加了水桶C負電的電量。通過兩組容器相互的靜電感應效應，兩邊的容器和金屬環上的電荷都會不斷增加。此裝置C與C’並不一定何者帶正電，但只要一開始產生了電性不均衡的狀況，電量就會不斷增加，電壓可達上萬伏特。值得注意的是，水槽A仍然保持電中性。

當滴水發電機開始運作，C與C’之間的電壓很快便會提高，因為水滴所帶的電荷與金屬環上的電荷電性相反，兩者互相吸引，水便不再垂直地落入容器內，而是向四周散開，就好像噴水池中的噴水器倒轉了一樣。如果把驗電器連接其中一個水桶，便會發現其帶電量不斷增加。也可以將氖燈兩端各與兩金屬水桶相連接，氖燈便會間歇發出閃光，證明了金屬容器帶電。

國內歷年已有幾次科展對此現象進行研究，包括滴水口水流的速率、環境的濕度以及金屬材質等都會影響發電機產生靜電荷的能力。此發電機所需裝置很容易組合，是一個相當值得實際操作觀察的實驗。

參考資料
1. 維基百科–克氏滴水發電機  http://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin_water_dropper
2. Kelvin’s Thunderstorm  http://www.newphys.se/fnysik/3_1/kelvin/index.html
3. John Vanderkooy （January 1984），「An Electrostatic Experiment of Lord Kelvin with Running Water」，Phys 13 news  http://web.cvcaroyals.org/~rheck … Phys13News-Mine.doc