静电物理实验范文（精选10篇）
静电物理实验 第1篇
1 原理
电除尘器是利用强电场使气体电离, 由于强电场的作用而使气体电离, 气流中的尘粒与自由电子、负离子碰撞而结合在一起, 达到粉尘荷电, 最后在电场力的作用下, 粉尘将会从气体中被分离出来, 达到除尘效果。利用静电使粉尘分离须两个基本条件:一是存在使粉尘荷电的电场;二是存在使荷电粉尘颗粒分离的电场。一般的静电除尘器采用荷电电场和分离电场合一的方法, 放电机的金属棒接高压直流电源的负极, 集电极接地为正极。如图1所示。
电除尘器比较多, 常用的有管式和板卧式两种。板卧式电除尘器由若干个独立的单元 (电场) 组成。管式电除尘器, 是将金属圆筒作为集电极。在管心悬挂一根金属线作为放电级, 称作电晕线。我们做的是管式电除尘器, 如图2所示。
2 设计过程
我们的目的是制作一个四级管式电除尘器, 并能观察到每级的除尘效果。在实验中我们使用了长形PVC塑料管, 直角PVC三角管, 玻璃管, 铜棒, 铜管, 绝缘体圆片, 电源线, 直流高压电源等设备。铜棒的长度大概是38cm左右, 直径5mm左右, 用来做电晕极, 接高压电源的负极。铜管的长度大概是35cm左右, 厚度为2mm, 内径为37mm, 用来做集电极, 接高压电源的正极。PVC管长度为3 8 c m, 内径为38mm, 恰好可以外套住铜管。一方面可以用来绝缘;另一方面可以用来固定铜管。绝缘体圆片的直径和PVC管等长, 中间有个圆孔, 让铜棒探出, 用于接导线。而集电极的引线我们是贴在铜管上面, 然后在直角三角管边上开个小孔, 将线引出来, 然后再用胶水将孔封住。玻璃管外径等于PVC管的内径, 套在三角管内, 可以用来观察每级的除尘效果。图3为设计图。图4为实物图。
3 结果和讨论
摩擦静电实验作文 第2篇
老师先让我们拿出一张纸，“拿纸做什么呀?”我心里嘀咕着，“大家先把手中的纸撕成碎片，然后把自己的塑料笔在头上反复摩擦，用笔靠近碎纸屑，看看会发生什么?”原来这个实验就是摩擦起电呀!
听了老师的要求后，我先把纸撕成小碎片，然后拿起笔，在碎纸上面轻轻拂过，纸纹丝不动，好像不喜欢笔似的。这时我把笔在头上摩擦了一会，直至笔微微发热，再拿笔往纸的上空轻轻拂过，神奇的事情发生了，有的纸飞到了笔上，有的甚至飘在半空中，还有的纹丝不动。
利用生活物品演示静电实验 第3篇
“让物理走进生活，让生活走进物理.”是高中物理课程标准的一个核心理念.在物理教学过程中，教师利用生活中常见的物品来进行物理实验教学，可以大大激发学生学习物理的热情，提升学生将物理知识应用到现实生活中的能力，可以拓展学生思维.以下是笔者在静电场教学实际过程中积累的一点经验与同仁一起分享.
1 利用辉光球做静电演示实验
1.1 辉光球放电原理分析
辉光球是一个装饰工艺品，它是一个薄壳玻璃球，球内中心处有一个球形电极，壳内空气被抽成一定的真空度，并充入低气压的惰性气体.当电极与电源接通后，球形电极上加有高频的高电压，在其周围形成高压电场，球壳内的稀薄惰性气体电离产生辉光放电现象. 接通电源，辉光球放电，可见球壳内出现以球电极为中心的立体辐射光线（图1），这些光线不是笔直的，有些弯曲，总体上是球对称的.在很短的时间内可以把它当静电场处理，它是一种近似点电荷的电场，中心是一个电极，无穷远处（或周围接地物）是另一电极，极性随高频电压变化而变化.球壳内的稀薄气体分子被运动的带电粒子碰撞电离产生辉光现象，由于气体密集程度较小，所以辉光总体按电场线的路径显示.
1.2 利用辉光球模拟点电荷形成电场线分布
接通电源以后，可以将平面内的静电场在空间中模拟出来，在学生头脑中形成一个立体的点电荷模型，特别是帮助那些空间想象能力差的学生建立一个正确的点电荷电场模型大有裨益.由于辉光球色彩鲜艳，能极大的吸引学生的注意力，激发学生的兴趣提高课堂效率.
1.3 利用辉光球演示静电场强弱
手持氖管的一极，从较远处向辉光球方向移动，接近到一定距离时，可见氖管发光.手持氖管的一极是接地的，氖管发光说明氖管的另一极所在空间点与接地点间有一定的电势差（发光电压约为60 V）.手持氖管越是接近辉光球，氖管发光越明亮，到接触球壳时发光最亮.这说明所测点越接近球殼，电场强度越大与大地间的电势差也越大.还能说明与球心等距离各点的电场强度近似相同.
1.4 利用辉光球演示静电屏蔽现象
手持氖管在辉光球周围的某一位置见氖管辉光，保持此位置不变，分别在氖管和辉光球之间插入不同材料的板状物（如书本、木板、泡沫塑料板、金属板等），发现插入接地的金属板（图2），氖管不再发光，说明接地的金属板对静电场能起局部的屏蔽作用；如果插入带绝缘柄的金属板和其他电介质板，氖管仍能发光，说明它们在电场中被感应或极化，不能对电场起屏蔽的作用.
2 利用吸管演示静电实验
2.1 吸管贴墙实验
吸管贴墙实验是利用纸巾轻轻地摩擦空心吸管，然后往墙上一点，吸管就稳稳地贴在墙上.因此可以利用吸管贴成各种形状的图案.原理很简单，因为墙上有很多微小的小颗粒，类似于小碎纸，将吸管紧紧的吸在墙上，说明用纸巾摩擦后的空心吸管带电.
2.2 旋转吸管实验
旋转吸管实验第一步，在第1根空心吸管的中间插1根大头针，接着将它套在第2根空心吸管上，将其固定.然后用纸巾轻轻地摩擦第1根吸管，接着摩擦第3根空心吸管，将摩擦过的吸管靠近第1根空心吸管的一端，该端吸管受到排斥，第1根吸管跟着第3个吸管相反的方向发生旋转（图3）；接着用摩擦过吸管的纸巾靠近第1根空心吸管，该端吸管受到吸引作用，吸管跟着纸巾的方向旋转.根据塑料吸管的运动情况，可以很清晰地演示电荷之间同性相斥异性相吸的现象，效果良好.
2.3 静电使氖泡发光实验
验电笔中的氖泡是充有氖气的短型放电管，一般氖泡的发光电压大约60 V.而在静电实验中，各种材料如用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦，可产生上千伏电势，这些电压足以使氖泡中的两电极中任意一个电极出现明显的橙色辉光.用纸巾轻轻地摩擦空心吸管几次，然后将氖泡的1个电极沿着空心吸管的表面慢慢移动，氖泡会断断续续地发出橙色闪光，同时也发出噼啪放电声.尽管氖泡发出的橙色辉光滞留时间不长，但只要房间内的光线较暗，就能看清氖泡内橙色的闪烁光，如图4所示.实验表明，空心吸管经纸巾擦后带上了大量电荷.
3 利用肥皂泡做静电实验
3.1 肥皂液的配制和肥皂泡支架制作
在蒸馏水中加入高泡沫洗衣粉达到饱和状态，加入蒸馏水分量的二十分之一的纯甘油，再加少量的白糖，温度加热到60 ℃左右，然后自然冷却.经过这样配制的肥皂液吹出的肥皂泡在直径6 cm的圆环上可保留8分钟以上.把一根细导线（细导线可以用花线蕊抽出的细铜丝）绕成一个直径大约6 cm的圆环，在它的直径上再连接一个同样大小的半圆环，用细导线挂在绝缘棒上，做好的肥皂泡架如图5.
3.2 利用肥皂泡演示同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引
如图6吹两个肥皂泡悬挂在绝缘架上，让它们带上相同的电荷并使它们靠近，由于相斥两肥皂泡总是靠不到一起，如图6（a）所示.让它们带上相异电荷由于相吸，靠近一点两个肥皂泡很就吸到了一起合并成一个肥皂泡.图6（b）所示进一步说明了电荷间相互作用的规律.
3.3 利用肥皂泡演示静电感应现象
两块带绝缘底座的铝板之间放一只装有肥皂液的烧杯，如图7（a）所示.在烧杯里吹起一个大肥皂泡，两铝板分别用导线与高压直流电源连接，在电场的作用下，肥皂泡里的自由电荷将发生移动.结果使肥皂泡靠近正极的一边带上负电，另一边带上正电，这就是静电感应肥皂泡在静电力的作用下发生了形变被拉扁，甚至会破裂.
4 静电除尘演示实验
静电物理实验 第4篇
高中物理静电演示实验不容易取得成功,原因主要来自于以下几个方面:首先是天气原因,室内如果湿度较大或者过于干燥,都有可能影响实验的成效;其次是起电设备跟不上也有可能带来不良效果;再次是实验技巧没有全面掌握也会影响物理实验的有效性。
高中物理静电演示实验不易成功,有主观方面的原因,也有客观方面的原因,针对这些原因,可以从以下方面开展实施:
一、绝缘材料以及导体部件的选择和维护
静电实验具有电压高电量少,电荷分布于导体表面,且电荷的分布按曲率分布。如果电压过高,就很容易形成漏电,如果电量较少,就又会产生一旦出现漏电就会把电漏光。所以静电实验的全过程中,绝缘问题也成为了静电实验成功与否的关键要素。对于物理教师来说,为了有效防止漏电,确保物理静电实验的有效实施,比如在静电实验的过程中,选取石蜡、泡沫塑料等作为取材的材料,这些材料比较方便加工。值得一提的是,石蜡对水是不浸润的,有比较好的防潮性能。实验的材料不一样,绝缘的性能也是不一样的。
二、保持实验室环境的清新和干燥
实验室的内部整体环境对于静电实验来说也很重要,实验室的内部环境需要保持清新和干燥,经常要给实验室开窗通风,使得实验室远离火花放电、火焰等电离源。一般情况下来说,空气中的水汽容易凝结在仪器的表面,并且很容易沾上灰尘和污垢,一旦沾染上灰尘和污垢,在静电实验过程中也很容易引起漏电等情况发生。在一般情况下,仪器的搬移也会引起漏电问题,比如仪器从干燥环境突然移到潮湿环境,就很容易造成严重的漏电问题,所以需要教师对仪器进行清洁、干燥。
关于保持实验室环境清洁和干燥的方法,主要有以下几种:太阳晒、电炉烤,实在没有条件的可以用电吹风吹,甚至还可以用红外灯照射,照射的温度不能高于50度。
三、掌握实验操作的技能和技巧
一是进行摩擦起电时,要注意手不能拿棒的摩擦端,在开展摩擦起电的过程中,摩擦的速度要快,玻璃棒与丝绸以及胶木棒、毛皮等要迅速分离。
二是通过移动接触采用摩擦棒给验电器、导体等接触带电的时候。在这个过程中,摩擦棒是绝缘体,摩擦棒上的电荷不能随意移动,当摩擦棒接触了电荷,才能将电荷转移到导体上,如果要想使得导体、验电器上带的电多一些,也可以采用感应带电的方法,比如在摩擦之后将带电棒靠近导体或者验电器,也可以通过用手触一下导体或者验电器,之后再将带电棒移走。在这个过程中,也有一些注意点值得留意,接触带电棒时,注意导体或验电器上的电荷与带电棒上的电荷电性相同,而当感应带电的时候,导体或验电棒上的电荷要与带电棒上的电荷电性相反。
三是从导体上取电荷时,要与导体表面外凸曲率大的地方相互接触。比如带绝缘的金属球和用电电器检验静电平衡的时候,检验电荷分布在导体外表面的实验中。要注意以下几个方面的步骤:首先是将方形的纸盒放置于有绝缘支座的平台上,通过方形纸盒内的表面与摩擦带电的棒相接触,使得方形纸盒带电。通过手持金属球的绝缘柄以使方形纸盒表面(非尖凸部位)与金属球表面相互接触后再将金属球与验电器导体相接触,验电器金箔则不张开。如果方形纸盒外表面曲率比接触面更小时,则很可能影响静电实验的效果。
四是正确选择起电设备。一般来说,感应起电机的存电量比较充足,电势差也比较高,所以在高中物理静电实验中比较多的采用。比如,在演示电场线、电场对带电体的作用等静电实验的过程中,运用起电器可以起到比较好的效果。有的教师利用两根摩擦棒的实验来建立学生对于电场的概念和初步印象,这个在教学中也比较常用,但是这项实验的成功可能性比较低。所以在静电实验过程中应选择合适的起电设备,比如将丝绢替代编织袋之类的可能会收到更好的实验效果。
静电实验作文300字 第5篇
假期的第一天，我在家做了静电实验。根据老师讲的，我提前就准备好了做实验的材料：尺子、干布、碎纸。我先拿起一把尺子，再拿起一块干布，把尺子放在干布上，用力摩擦，摩擦了大约2分钟，然后把尺子放在碎纸上面，一看不能吸上去；我又继续摩擦了2分钟，还没吸上去；妈妈鼓励我继续摩擦了1分钟，哈哈尺子把碎纸吸上去了，实验终于成功了！
我在这个实验过程中，不仅学到了有关静电的知识，还知道了做事要有耐心，不要轻易放弃。这次做静电实验，我有好几次想放弃，但是我每次要放弃的时候，我的脑袋里总会想起妈妈说的一句话：“爱迪生是个伟大的科学家，他做实验，有些时候也要失败上千次上万次”。所以我这次实验就一直坚持，没有放弃，正因为这样，我最后成功把碎纸吸上去了，圆满完成了实验。
静电物理实验 第6篇
关键词： 电磁场 库仑定律 电量 电荷
一、关于库仑定律成立的条件
1.库仑定律是否一定要在“真空”中才成立？
很多老师在讲解定律成立条件时过于强调“真空”这个条件。事实上“真空”不是定律成立的必要条件，但为了让表达和计算简便，再加上要考虑历史的原因，现行教科书中库仑定律适用条件的表达仍习惯表达为真空中的两个点静止的点电荷。这是因为即使两个点电荷周围不是真空，存在某种其他物质（带电体、导体、介质等）时，我们仍然可以运用叠加原理和库仑定律计算静电力。
2.如何理解库仑定律成立条件中的“静止”？
电荷“静止”是库仑定律成立的必要条件，其含义包括：两个点电荷相对静止，点电荷相对观察者是静止的。这个条件可外推，静电荷对动电荷的作用库仑定律仍然适用，但考虑运动电荷对静电荷的作用时库仑定律不再适用。并由此得出一个值得注意的问题，静止电荷与静止电荷的相互作用遵守牛顿第三定律，但静止电荷与运动电荷的相互作用不再遵守牛顿第三定律，原因是运动电荷产生电磁场要考虑电磁场对电荷的作用。
二、关于物体最多能带多少电量问题
物体的带电量是有极限的，一个带电体最多能带多少电量是值得注意的问题。在很多教参和教师自编的练习中，在设定物体的带电量时往往为了数值计算的方便，把带电体带电量的数量级设为负3、负3次方数量级（库仑），更有甚者设为2C、10C、200C不等，这是极不严谨的。事实上，通过理论推算一般的物体的带电量极限值大约在10的负8次方数量级（库仑）。我们不妨做一个很粗略的推算。一般的小电容器电容量只有几个皮法，即10的负12次方法拉，而带电体间的电势差达10的4次方伏（数千伏到上万伏）时就会放电。据电容公式可以推出，因为一般带电体物体与周围带电体构成电容器要比实际电容器的电容值更小，所以其带电量不会超过10的负8、9次方这个数量级。也就是说，我们在编练习时设置物体带电量的数量级最大不能超过10的负8次方库仑，否则就属科学性错误。
三、关于点电荷和检验电荷
“点电荷”是一个没有大小和形状的几何点，电荷全部集中在这几何点上。事实上，任何带电体都有其大小和形状，真正的点电荷是不存在的，它是一个理想化模型。不过，当我们在研究带电体间的相互作用时，如果带电体本身的几何尺寸比起它们之间的距离小得很多，那么带电体的形状、大小和电荷分布对带电体之间的相互作用的影响可以忽略不计。在此情况下，我们可以把带电体抽象成点电荷模型。只有这样，“电荷之间的距离”才会有确定的含义。学生有了质点的概念，对点电荷的理解并不难。但值得注意的是，有部分学生误认为点电荷带电量应该很小。事实上，对点电荷的带电量是没有限制的，可以很小也可以很大的（当然要求以上第二点所述范围内）。
所谓“检验电荷”有以下两个要求：一是检验电荷的几何线度必须足够小，即可以把它看做点电荷，只有这样才可以用它确定空间各点的电场性质。二是检验电荷的带电量要足够小，使得它的引入不会引起场源电荷分布发生改变而影响原有电场，这样测得的场性质才是原来存在的场性质。有人认为，从场强的定义知道，场强与体验电荷是无关的，所以对检验电荷量的大小不该有足够小这个要求，这是个误解。原因就是因为场源电荷可能是体积较大的带电体，若检验电荷量不是足够小，引入检验电荷后，因为静电感应（对金属带电体而言）或电极化（对介质带电体而言），源电荷就会重新分布，检验电荷所处位置的场强必定会改变。
趣味性静电实验研究 第7篇
同时静电有2个特点:一是电压很高,可以达到103~104 V,使通常情况下的绝缘体失去绝缘性而变成导体。如用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦,可以产生103 V电势,而感应起电机在适宜的温度和相对湿度下,可产生成(4×104)~(6×104)V电压。二是实验时物体起电所产生的电量少,电量也只有约10~6C。电荷不断地通过空气中的水汽或静电仪器的绝缘部分向外释放而很快减少,电压高易漏电,电量少经不起漏。静电现象很弱或很不明显。笔者查阅了大量有关静电实验的资料,通过动手实验,发现静电实验其实并不是很难成功,关键在于选择合适的材料和实验。而且只要选材合适,静电实验还是很具有趣味性。文章利用身边常见的物品,如空心吸管、纸巾、氖泡、纸杯、大头针、塑料瓶、易拉罐等这样的小物品进行静电实验,效果明显,而且趣味性很强。
1 摩擦起电实验
摩擦起电是大家熟知的现象。其原理是通过摩擦,每个物体都有一些电子脱离原子的束缚,跑到另一物体上去。但由于不同物体向对方转移的电子数目往往不等,就造成了一个物体失去电子,另一个物体得到电子,失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电。因此,所谓摩擦起电就是通过摩擦作用,使电子从一个物体转移到另一个物体的过程。一般物理书中演示摩擦起电的实验是用丝绸摩擦后的玻璃棒,或是用毛皮摩擦后橡胶棒去接触验电器,若验电器的指针张开,就说明物体摩擦后带电。但一般教科书上所介绍的用丝绸摩擦玻璃棒和用皮毛摩擦橡胶棒起电效果不佳,原因不是这些材料摩擦时不能起电,而是玻璃棒和橡胶棒不易保持住电荷。特别是空气不够干燥时,这些通常视为绝缘体的材料,在高压之下,漏电较快。其实利用纸巾、空心吸管、氖泡、大头针就可以很好地演示摩擦起电的实验。
1.1 吸管贴墙实验
吸管贴墙实验是利用纸巾轻轻地摩擦空心吸管,然后往墙上一点,吸管就稳稳地贴在墙上。因此可以利用吸管贴成各种形状的图案。原理很简单,因为墙上有很多微小的小颗粒,类似于小碎纸,将吸管紧紧地吸在墙上。这说明用纸巾摩擦后的空心吸管带电。
1.2 氖泡发光实验
验电笔中的氖泡是充有氖气的短型放电管,一般氖泡的起辉电压大约60 V。而在静电实验中,各种材料如用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦,可产生上千伏电势,这些电压足以使氖泡中的两电极中任意一个电极出现明显的橙色辉光。用纸巾轻轻地摩擦空心吸管几次,然后将氖泡1个电极沿着空心吸管的表面慢慢移动,氖泡会断断续续地发出橙色闪光,同时也发出噼啪放电声。
尽管氖泡发出的橙色辉光滞留时间不长,但只要房间内的光线较暗,就能看清氖泡内橙色的闪烁光,如图1所示。实验表明,空心吸管经纸巾擦后带上了大量电荷。
1.3 旋转的吸管
旋转的吸管实验第一步,在第1根空心吸管在中间插1根大头针,接着把将它套在第2根空心吸管上,将其固定。
然后用纸巾轻轻地摩擦第1根吸管,接着摩擦第3根空心吸管,将摩擦过的吸管靠近第1根空心吸管的一端,该端吸管受到排斥,第1根吸管跟着第3个吸管相反的方向发生旋转;接着用摩擦过吸管的纸巾靠近第1根空心吸管,该端吸管受到吸引作用,吸管跟着纸巾的方向旋转。
根据塑料吸管的运动情况,可以很清晰地演示电荷之间同性相斥异性相吸的现象,效果良好。
2 感应起电实验
感应起电现象是当一个带电体靠近导体时,由于电荷间相吸或相斥作用,导体中的自由电荷便会产生趋向或远离带电体的运动,使导体靠近带电体的一端带异种电荷,远处的一端带同种电荷。在高中物理教材中,如图3所示演示静电感应实验。
图2中C是带正电的物体,A和B是1对用绝缘支柱支持的导体,两者紧密接触,它们下部分别贴有金属箔(2片),当A和B不带电时金属箔是闭合的,一旦A或者B带电,由于有一部分电荷要分配到金属箔片上,两金属箔片在电荷间排斥力的作用下将要分开。
该实验是起初导体A和B均不带电,当把带正电的物体C移近导体A时,导体A和B上的箔片均张开,说明导体A和B由于感应均带电。
该实验可以很好地实现感应起电,但是该实验的成功率不高,而且缺少趣味性。其实利用空心吸管、易拉罐、空塑料瓶、纸杯、锡箔纸、水等常见物品也可以很好地演示感应起电实验。
2.1 滚动的易拉罐
将空易拉罐放在光滑的桌面上,然后用纸巾轻轻地摩擦吸管,接着让吸管接近易拉罐,慢慢移动吸管,可以看到易拉罐跟着吸管的移动方向慢慢地滚动。该实验原理是由于易拉罐靠近带负电的吸管,由于感应起电,靠近吸管附近一侧的易拉罐带正电,由于异性电荷相吸引,所以易拉罐跟着吸管移动而滚动。该实验现象可以很明显地演示导体的感应起电现象。
2.2 转弯的水滴
在空的塑料瓶底端扎一小孔,向塑料瓶中装满水。接着将它固定在高架台上,底端放一个盛水盆,即有一股线状水滴流入水盆中。用纸巾摩擦多次吸管后,用带电的吸管靠近水流附近,可以很明显地看到水流向着吸管方向偏转,同时水流四处散开。因为当带电吸管或者带电的橡胶棒靠近水流时,由于静电感应,使得线状的水流感应带上相反的电荷,由于异性电荷相吸,水滴就向着带电吸管方向偏转。同时由于水滴因为带上同种电荷排斥向四周散开。该实验现象明显,而且材料很容易获取,可以很明显地演示静电感应现象。
2.3 静电铃铛
2个空的易拉罐,分别在适当的位置刮掉表面镀膜露出金属部分,然后让2个易拉罐相隔2~4cm站立,刮掉镀膜的地方面对面。然后用1根吸管横着悬挂在易拉罐上,下面悬挂着金属环,金属环的高度刚好是易拉罐刮掉膜处。
然后把起电机上2根放电杆前端的金属小球靠近1个易拉罐,当安装和调整好以后,摇动起电机或者将带电的PVC管靠近,就会看到金属环左右摆动撞击易拉罐,发出叮、叮、叮的铃声。该实验原理是起电机起电后,由于感应起电,使2个易拉罐带上异种电荷,金属环在2个易拉罐的中间,处于不稳定平衡状态,很容易偏离平衡位置而摆向某个易拉罐。假设首先是摆向带正电的易拉罐,当金属环与易拉罐碰撞时,金属环获得正电荷,而随即被带正电荷的易拉罐排斥,且被带负电的易拉罐吸引,摆向带负电的易拉罐。
同理,当金属环与易拉罐碰撞时,金属环获得负电荷,而随即被带负电荷的易拉罐排斥,且被带正电的易拉罐吸引,摆向带正电的易拉罐,这样金属环在2个易拉罐之间来回摆动,撞击易拉罐而有节奏地发出铃声。
2.4 静电马达
静电马达也是比较有趣的静电感应实验,也叫富兰克林电动机。常用的电动机都是由直流电和交流电供电,通过电磁转换,磁场作用驱动转子运动。静电马达可以把电能直接转化成机械能,静电马达利用高压静电来供电,根据静电感应和高压静电的尖端放电能驱动纸杯转动。
取1块绝缘泡沫板,在它中心安装1根圆珠笔笔芯。将剪好的条状的锡箔纸8条,均匀地贴在透明的一次性杯子上。将贴着锡箔纸的杯子倒扣在圆珠笔芯上使其能轻易地自由转动。再将2条条状的锡箔纸的一端剪成锯齿状,分别对称地放在纸杯两侧。然后把起电机上2根放电杆前端的金属小球靠近1个锯齿状的纸杯纸,当安装和调整好以后摇动起电机。这时可以看到贴着锡箔纸条的杯子飞快地转动起来。静电马达的原理是因为高压静电使得靠近锯齿状的锡箔纸带电,另一侧的锯齿状的锡箔纸由于感应带上相反的电荷。
两侧的锡箔纸带上高压电后,锯齿产生尖端放电现象,此时,空气被大量电离,其中,与锡箔纸所带电荷同种的电荷飞向纸杯锡箔纸上,并只附在纸杯一侧的锡箔纸上,因为纸杯是绝缘材料,这些电荷在绝缘体上不能流动。
这样,纸杯受到来自两侧带电锡箔纸的静电斥力力矩的作用下开始旋转。当纸杯旋转180°后,纸杯上锡箔纸的电荷的极性就会发生变化,因此纸杯可以不停地旋转。
3 结语
利用生活中随手可得的材料进行静电实验,同样达到很好的效果。实际上,积极探寻由简易材料进行物理实验,是培养学习兴趣、学好物理的一条重要途径。
摘要：在中学物理学习的过程中,笔者查阅了大量有关静电实验的资料,通过动手实验,发现静电实验其实并不是很难成功,关键在于选择合适的材料和实验。而且只要选材合适,静电实验还是很具有趣味性的。该文利用身边常见的物品,如空心吸管、纸巾、氖泡、纸杯、大头针、塑料瓶、易拉罐等这样的小物品进行静电实验,效果明显,而且趣味性很强。
关键词：趣味性,静电,实验
参考文献
[1]罗星凯.中学物理疑难实验专题研究[M].桂林:广西师范大学出版社,1998.
[2]刘贵兴,方鸿辉,倪闽景.创新物理实验[M].上海:上海教育出版社,2007.
PVC管道输油静电实验研究 第8篇
1. 非金属管道静电特点
洁净度高的油品产生的静电很少，然而输送油品过程中不可避免的会混进一些杂质。这些杂质可以解离为正负离子，这就是静电产生的根源[5]。油品流动时会在管壁上形成双电层，这是液体中正负离子移动的结果[7]。双电层的组成结构如图1所示，紧贴在管壁上电荷单一的是紧密层，管内电荷稀疏的是扩散层。扩散层内的电荷容易被油品流动带走，形成冲流电流，而沿管壁流向大地的电流叫做逸散电流。在理论上冲流电流和逸散电流是大小相等极性相反的电流，但是非金属管道电阻很高，会有大量的电荷滞留在管道的表面上，过量的积聚就会引起静电放电。
控制静电积聚的方法包括在非金属管壁内埋入金属丝，但是这种方法在控制静电积聚的有效性方面缺少实验论证，所以实验以不含金属丝的PVC管道为对照组，对比测量含有金属丝的非金属管道导静电的能力，论证非金属管道中金属丝在控制静电积聚方面的效果。
2. 实验装置
在流速、管径、油品及其他条件相等的状况下，理论上管道上积聚的电量相等，然而输油管因管壁的导电率不同，静电逸散电流的大小会有差异，对于非金属管道逸散电流越大，则管壁上积聚的静电电荷越少，静电安全性能也就越高[8]。冲流电流可以由电荷仪来测量，绝缘管道流出的逸散电流可以通过微电流计来测量, 图2为本次实验的流程图:
实验采用的泵型号为SUBD06-5的滑片泵, 电流计为GT8230数字直流微电流计, 电荷仪为EST111型数字电荷仪, 输送的油品为0号柴油, 整个实验过程中环境的温度变化在29～33.9℃, 空气湿度变化在41～46%之间。
逸散罐和测量点之间用长度为0.15m的光滑的绝缘管隔开, 其产生的静电可以忽略。不锈钢管是测量逸散电流的测量点[9], 长度为0.15m, 不锈钢管内壁光滑, 而且与20m的测试管道相比, 摩擦产生的静电电荷量可以不予考虑。采用测试的PVC管道直径为25 mm, 长度为20m, 在实验中两种管子始终架空, 一方面为了使管道在实际操作中处于最苛刻的环境[10], 另一方面可以消除接触地面对实验的影响。一号管道为对照组, 管内为编织尼龙网增强层, 二号管道为测试组, 管道内为金属丝骨架层, 如图3所示。尼龙网增强层属于绝缘材料, 对一号管道的导电性能没有明显的影响, 在实验中作为二号管道的对比组。
3.实验测量和分析
输油速度为1.72m/s时, 含有金属丝骨架层的非金属管道微电流值变化如图4所示。起泵后管道内不满流会引起逸散电流数值跳动, 然而管道内的双电层在短时间内就会得到充分的发展使得逸散电流趋于稳定数值, 管壁上静电积聚与逸散两个会达到平衡状态。停泵后管线内的油品停止流动, 摩擦起电消失, 管道内剩余油品中过量的正电电荷中和管壁上的负电荷, 所以停泵后逸散电流很快地回归到零点, 越过零点后会有一个很小的峰值, 然后趋近于零。图中的红点为屏蔽点, 在求算平均逸散电流时, 这些数据点不予统计。
每次实验后，求算电流的平均值，表1为整理后的实验数据：
冲流电流只能反映管道内的电流大小，而逸散电流的大小可以反映非金属管壁上静电消散的程度，油品的流速会极大地影响非金属管壁上电荷的积聚与逸散，根据Gibson和Tloyd[11]研究的成果油品内的静电电流与流速呈指数的关系，所以根据表1利用Origin绘制流速与逸散电流的关系图，如图5所示：
将图5所得到的散点图利用指数公式拟合，可以得到他们的拟合方程:
测试管道2内流速与电流的拟合公式：
对照组管道流速与对应电流的拟合公式：
紊流状态和层流速度区间的逸散电流因流态不同会有很大的差别[14]。工程计算上认为雷诺数低于2300为层流状态，雷诺数高于2300为紊流状态。取柴油的运动粘度为8×10-6m2/s，则临界速度：
所以认为整个实验结论适用于油品紊流状态下的流动，拟合公式可以用来估算紊流速度区间的逸散电流值。从图形中可以看到在同一流速下，2号管内流经测量点的逸散电流要明显的大于对照组的逸散电流。在产生相同的逸散电流下，含有金属丝的非金属管道输油速度可以明显的高于对照组的输油速度。从输油安全上分析，应当选择有利于管壁上静电电荷逸散的管材，所以在管道架空输油时，含有金属丝的非金属管线静电安全性能会更高。
4. 结论与展望
(1)短距离输送油品时，非金属管道内的金属丝有利于管壁上静电电荷的逸散，与对照组PVC管道相比输油时的静电安全性较高。
(2)起泵后，短时间内PVC管道内的静电就会达到平衡态，而且随着流速的增加逸散电流升高较快。
(3)在实验中空气的湿度相对较低且相对稳定，可以忽略它对实验的影响。但是空气湿度是静电逸散快慢的重要影响因素，需要进一步研究。
参考文献
[1]Marcel Moreau.SURVEY OF FLEXIBLE PIPING SYSTEMS[R].UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY.WASHINGTON, D.C20460March1997.
[2]徐浩.非金属环保地下输油管道系统在加油站中的应用[J].广东石化, 2002, 5:32～33.
[3]Dean J C, Williams G M, DeGiovanni J.Analysis of Flow Electrification in Fuel Distribution System[J].IEEE Transactions on Industry Application, 1993, 29 (3) :639～643.
[4]液体石油产品静电安全规程[S]GB13348～20093.3
[5]叶如格, 于长一.石油静电[M].1984年石油工业出版社.185～187.
[6]James E.Johnson, Thomas E.Owen, PH.D., P.E.Scott A.Hutzler.INVESTATUION OF ELECTROSTATIC CHARGE IN HOSE LINES[R], October2006.
[7]Gerard Touchard.Flow Electrification of Liquids[J].Journal of Electrostatics2001, 51～52, 440～447.
[8]Martin Glor*.Hazards and problems associated with liquids[J].Journal of electrostatics, 2001, 51～52:359～365.
[9]Javier Vazquez～Garcia, J.RIVENC, A.AGNERAY.A Critical Approach to Measure Streaming Current:Case of Fuels Flowing Through Conductive and Insulating Polymer Pipes[J].INDUSTRY APPLICATION, 2005, 41 (5) :2694～2700.
[10]王菊芬, 孟浩龙.绝缘管道内油流带电引起的静电电场计算[J].石油工程建设.2008, 35 (1) :5～10.
静电实验中漏电现象的若干思考 第9篇
关键词：静电实验,漏电现象,摩擦生电,电学
由于影响静电实验成功与否的相关因素非常多, 从而致使静电实验的成功率非常低, 或者很难达到预期的效果。在静电实验中, 一个突出的问题——漏电, 是制约实验成功的重要因素, 也会对实验者的人身安全产生一定的影响。该文着重对静电实验中的漏电现象进行探讨与分析。
1 静电实验中静电的产生原因
1.1 摩擦带电是最为常见的一种起电方法
当两种不同的物质互相接触的时候, 由于这两种物质核外电子的分布情况存在差异性, 二者之间便存在着一个电位差 (即存在电场E) 。由于存在电位差, 一般有电子从一个物体转移至另外一个物体中, 从而使得前者带有正电 (+) , 那么后者就会带负电 (-) 。两种物体之间互相发生摩擦, 摩擦的作用会使得两种物体之间的接触点的数量增大, 接触地更加紧密, 从而使得电子转移的机会得以增大, 加上摩擦温度地上升, 加快了电子转移的速度。然而, 从本质上而言, 摩擦带电属于一种接触式的带电现象, 当两种物质互相接触十分紧密的时候, 其主要矛盾为电位差, 互相摩擦的两种材料间的挤压程度越大, 越容易使得两种材料中电子的转移, 而使这两种材料带上电荷, 而只有反复而不紧压的摩擦是不容易生电的。所以, 在实际的静电实验操作中, 若要使得物体带电, 就应该互相紧压进行摩擦。
在静电实验中有时使用丝绸摩擦2根玻璃棒, 却得到2根玻璃棒带不同性质的电荷的异常现象。根据研究分析认为, 使用丝绸摩擦第1根玻璃棒, 由于玻璃棒失去电子而带有正电荷, 从而使得丝绸得到电子而带负电, 当外界空气十分干燥的时候, 丝绸上所带有的负电荷不容易丢失。当与第2根玻璃棒同时摩擦的时候, 由于摩擦次数比较少或者摩擦力度较小, 不仅没有让玻璃棒失去负电荷, 反而使得丝绸上的剩余的电子转移至玻璃棒上面, 那么这又使得第二根玻璃棒带有负电荷, 发生2根玻璃棒相互吸引的现象。为了有效预防异常情况的出现, 第2次丝绸与玻璃棒摩擦起电之前, 应该使用手充分地与丝绸接触, 使得丝绸原来所带有的负电荷释放完全之后, 再使用玻璃棒进行摩擦。
1.2 感应带电也属于静电实验中较为常见的方法
静电感应是静电场中的导体之中, 自由电荷受到场力作用的移动, 电荷会重新分布, 最终达到静电平衡的状态, 从而使得导体不同的部位带有正、负电荷的现象。感应带电是在静电感应的条件下, 使得导体的一侧接地之后, 将静电场去掉, 那么导体另外一侧额电荷重新分布于导体的表面位置处, 应用这种方法使得导体带电的优势之处为:导体极易带电, 而且带电量也非常容易得到有效控制, 需要注意导体应该与地保持绝缘的状态。
2 静电实验中的“漏电”现象分析
凡是做过静电实验的都有这样的体会, 静电实验常常在实验之中的电漏完了, 或者根本就未带有多少电荷, 那么由此可以看出“漏电”现象是静电实验中的一个重要原因。那么到底是哪些方面的因素导致“漏电”现象的呢?笔者通过实际实验经验, 总结如下几点原因: (1) 天气潮湿, 空气中的自由电荷较多; (2) 导体表面有尖端, 一般会发生“尖端放电”的现象; (3) 绝缘材料绝缘性能差; (4) 人为操作方面因素的影响。在环境方面, 可以选取干燥、晴朗的天气或者应用电吹风吹干静电仪器的方法对这些问题加以解决;对于“尖端放电”的现象, 静电仪器一般需要做成圆弧形状。虽然如此, 很多静电实验却很难获得成功。由此可以看出, 绝缘材料的绝缘性能是影响静电实验的关键因素。
如下简要的演绎能够证明上述观点。现假设一个导体球 (电容量为C, 带电量大小为Q0) , 使用1根绝缘棒 (电阻值为R) 作为支撑, 现假设导体经绝缘棒进行放电, 那么即可得到放电的微分方程:
经计算得出如下结果:
根据上式 (2) 可以看出, 导体球带电荷量Q由初始电量Q0、导体电容量C、时间t以及绝缘棒的电阻值R共同决定的。如果Q0、C及t值不变, 那么R为影响电量Q的因素。那么, 对于不同R值的绝缘体而言, 其对电量Q的影响程度到底多大?下面可以进行一些估算, 现假设C=10PF, U0=Q0/C=2000V, 那么:Q0=U0C=2000V×10×10-12=2.0×10-8C;若此绝缘棒是一根干燥的木棒 (长度L为0.2 m, 半径r=0.5 cm) , 那么电阻率≈108Ω·mm2·m-1, 那么由此可以计算出电阻R=L/S≈2.5×1011Ω, 时间常数=RC=2.5 s。当时间t=8 s的时候, 则可计算出电量Q= Q0×e-t/ (RC) =8.2×10-10C, 而U=Q/C=82 V。现将此绝缘棒改称为石蜡 (=1018Ωmm2·m-1) 采用上述的方法进行演算, 得出如下结果:R≈2.5×1021Ω, ≈2.5×1010s, 当t=2 h时, 导体球的电压仅仅降低了0.002 V。
由上述推算的结果可以看出, 在导体球电容与绝缘支柱大小不变的条件下, 导体的带电情况主要受到绝缘体的绝缘状态的决定。所以, 要想做好静电实验, 选取绝缘性能较好的绝缘材料减少漏电的发生是该实验成功的关键环节之处。
3 静电实验应该对绝缘问题进行考虑
静电实验的主要特征表现在“高电压、微电荷”。所以, 在静电实验过程中极易出现“漏电”情况的发生, 一旦漏电便会对静电实验的成功性产生直接的影响。所以说, 若要做好静电物理实验, 首先应该对绝缘问题加以解决, 选择合适的绝缘材料对静电实验的成功与否极为关键。静电物理实验的特征为高电压、微电荷, 所以要求选择的材料具有非常强的绝缘性能, 某些绝缘体, 如, 香蕉、玻璃等材料在空气潮湿或者表面不清洁的条件下会丧失其应有的绝缘性能, 甚至还可能成为导体。所以说, 更应该加强在实验之前对于所选择材料的绝缘性进行检验。绝缘性检验的一种较为简单的方法为使用灵敏性较好的验电器, 将绝缘体的一侧接触验电器的导杆, 按照指针的闭合及张开角度来对材料的绝缘性能加以确定。
4 结语
综上所述, 为了做好静电实验, 预防“漏电”现象的发生, 可从如上几个方面进行探索、研究, 只要我们清楚地分析了实验过程及这些关键性的影响因素, 势必会对物理静电实验的研究具有很好的指导性作用。
参考文献
[1]陶洪.物理实验论[M].南宁:广西教育出版社, 1996.
[2]吴永熙, 王明怡, 刘军.谈谈静电实验[J].大学物理, 2002 (2) :37-38.
[3]吴泽奇.怎样做好静电实验[JJ.青海教育, 2002 (10) :42.
静电物理实验 第10篇
目前,可实现全流量在线磨粒监测的技术主要有电磁感应[1,2,3,4,5,6,7]、磁感应[5,6,8]和静电感应[5]。采用这些监测技术所开发的传感器均能监测铁磁性金属磨粒,有部分产品能检测非铁磁性金属磨粒。MetalSCAN[1,2]、MPS[3,4]、TA10[5,6]所能监测的铁磁性磨粒最小尺寸分别约为100μm、40μm、50μm,所能监测的非铁磁性磨粒最小尺寸分别约为405μm、135μm、250μm,这些产品对非铁磁性磨粒的监测能力远小于它们对铁磁性磨粒的监测能力。由于磨粒监测原理的不同,各种监测方法对非铁磁性与铁磁性磨粒监测能力呈现出巨大差别,仅有少量研究针对非铁磁性金属磨粒的监测[9],基于静电感应原理的OLS[5]对磨粒进行监测,可以不受材料(铁磁性金属、非铁磁性金属)影响[10,11],鉴于此,本文采用静电感应方法对非铁磁性磨粒进行监测研究。
全流量磨粒静电信号的监测对象为各类机械润滑系统零部件磨损产生的磨粒,相比于振动监测、温度监测等,全流量磨粒静电信号的监测对零部件衰退早期的症状更敏感,并可提供实时的状态信息[10,11,12,13]。该监测方法已纳入F-35资助计划,并被美国列为军方保密技术限制出口。
文献[14]探索了全流量在线磨粒静电监测技术的可行性,研究了润滑条件下聚合物与轴承钢滑动摩擦磨损状态的静电监测。文献[15]研究了航空轴承材料(轴承钢)的滑动摩擦副在润滑条件的不同载荷、不同滑动速度时磨损状态的静电监测。所开展的研究表明,静电监测技术能实现对非金属材料(聚丙烯塑料)、铁磁性材料的摩擦磨损在线监测,并能实现胶合磨损的早期预警。本文是上述工作的延续,旨在通过研究轴承钢球、黄铜球在模拟颗粒注入实验中的静电信号特征,分析铁磁性与非铁磁性金属材料的静电信号幅值与颗粒尺寸的关系,同时通过循环润滑条件下轴承钢球与黄铜盘所组成的滑动摩擦副的摩擦磨损实验,进一步验证静电监测技术对非铁磁性金属材料的监测能力。将自制的全流量在线磨粒静电传感器安装在销盘摩擦副主油路下游,采集磨粒通过传感器时的静电感应信号,并实时采集摩擦力矩和载荷信号。实验结果表明:油路静电监测方法对非铁磁性金属材料的监测能力强于对铁磁性金属材料的监测能力;静电传感器具有较好的一致性;滑动摩擦副实验中,摩擦因数与静电感应信号具有很好的相关性,能在线监测到非铁磁性金属材料。
1 磨粒静电监测系统
1.1润滑条件下轴承钢-黄铜摩擦副荷电磨粒的产生机理
润滑条件下,摩擦副荷电磨粒的产生机理很复杂,受润滑油和摩擦副材料的化学、物理性质及摩擦中摩擦化学的影响,磨粒荷电机理主要包括摩擦荷电、接触荷电和磨粒形成[16]。
润滑条件下,轴承钢-黄铜滑动摩擦副中,黄铜硬度明显低于轴承钢球硬度,以磨粒磨损为主。钢球在黄铜上滑动,开始时,黄铜向钢表面粘附并沉积,黄铜迁移量与时间关系为指数关系[17]。随着滑动的继续,沉积的黄铜断裂成磨屑。这些磨屑不断增加,导致表面变粗糙,使转移的黄铜间断性产生磨粒。黄铜的转移、沉积和断裂导致磨损,形成较大尺寸的磨粒。根据摩擦荷电原理,不同种金属材料接触受载、相互滑动后分离,发生电子转移,使两金属分别带上等量异号电荷。从静电序列[18]可判断出黄铜带负电,轴承钢带正电。电荷幅值依赖于界面性质(化学成分、表面粗糙度)和接触特性。通常情况下,摩擦过程中增大了摩擦副的实际接触面积[19],使相互摩擦比静止接触产生的转移电荷多[20]。这些荷电磨粒悬浮在流动的绝缘润滑油中,经过传感器探极。由于油液与磨粒的液固界面自然形成双电层,故两者的相对运动使双电层剪切引起磨粒荷电量发生变化。同时,磨粒在流动时,磨粒之间、磨粒与管壁之间的碰撞、摩擦、分离进一步改变磨粒电荷量。
1.2磨粒静电监测系统
文献[14]详细描述了全流量磨粒静电监测原理。全流量在线磨粒静电监测系统如图1所示,文献[15]详细阐述了系统各部分的功能作用。
2 颗粒注入实验
为探索滑油系统中全流量在线磨粒静电传感器对非铁磁性金属材料的监测能力,选择黄铜和轴承钢GCr15,开展3种不同尺寸的单颗粒注入实验及直径2.0mm轴承钢颗粒的双颗粒注入实验。
2.1实验装置及实验方法
为开展颗粒注入实验,搭建了图2所示的实验平台。其中,梨形分液漏斗能产生较高的液面,可实现油液均匀流动;全流量在线磨粒静电传感器实现对润滑油中悬浮的荷电磨粒的感应电荷检测,并将感应电荷量变化转化为电流信号。管道内径越小,灵敏度越高,本文设计的静电传感器内径为10mm。将SINOCERA牌YE5854A高精度低噪声电荷放大器用于对静电感应信号的放大;采用四通道NI-WLS9234信号采集卡进行静电感应信号的连续采集。
实验时,分液漏斗中注入L-HM46润滑油,调节阀门控制静电传感器油液的流量,待流动稳定后,依次向分液漏斗中注入颗粒,同时对静电感应信号进行实时采集。
2.2实验结果及分析
单颗粒注入实验中,轴承钢颗粒和黄铜颗粒的直径分别为3.0mm、2.5mm和2.0mm。如图3～图8所示,颗粒对应着明显的脉冲尖峰,这与文献[14]所分析的RMS的脉冲尖峰反映颗粒通过静电传感器规律一致。
为更方便地定量比较实验数据,将图3～图8的静电感应信号RMS进行整理,形成表1中的RMS均值数据。表1归纳了6种单颗粒注入的测试结果,每一组尺寸颗粒实验的感应信号RMS均值为去除油液背景信号所获得的颗粒静电信号RMS的计算结果。从表1中看到,无论是轴承钢或黄铜,大颗粒的静电感应信号RMS均值均大于小颗粒的静电感应信号RMS均值,这与文献[14,21]的理论分析及实验结论一致,即颗粒直径与感应电压相关,静电感应信号中尖峰的幅值反映了颗粒的尺寸特征。
润滑油流量的波动和注入颗粒时的抖动会引起颗粒经过静电传感器时信号的变化,进一步引起监测的静电感应信号RMS的变化。本文采用同一规格颗粒的多次实验以检验传感器输出结果的一致性水平。测量相对不确定度η反映测量标准差与均值的比值关系:
式中,xi为第i次测量值;n为测量次数;
将η作为衡量测试结果一致性指标[22]。η越小,静电传感器的测试结果分散程度越小,数据均匀性越好。
从表1看出,6组实验的测量相对不确定度η的最大值为14.42%,最小值为6.08%,均小于15%,满足实际测量精度要求,所以本文采用的自制全流量磨粒静电传感器的监测结果较为稳定。
为进一步验证颗粒直径与静电感应信号的关系,同时注入2个直径2.0mm轴承钢颗粒,分别进行3次双颗粒注入实验,获得的感应信号及感应信号RMS如图9所示。
文献[14]的研究表明,感应电压幅值与颗粒等效直径之间关系为
U(t)=K′α dγpf(t)
K′=-2RkAv2
式中,K′为由传感器探极电阻R、探极感应面积A和颗粒经过传感器时速度v的常数;k为探极感应电荷中的常数;α为与颗粒材料和荷电介质等有关的常数,当其他条件一定时,它影响感应电压幅值的斜率;dp为颗粒等效直径;γ为由实验确定的常数,通常为1.2～1.6;f(t)为与颗粒距离探极位置有关的时间变量。
按这一理论分析可知,所采集的静电感应电压信号不仅与颗粒尺寸有关,还受颗粒材料、油液介质等多种因素影响。
对图9所示的测试数据,去除油液背景信号所获得的双颗粒静电信号RMS均值为0.656μV,与单颗粒实验中获得的静电信号RMS均值0.514μV相比,感应信号RMS增大到1.28倍,小于两者等效直径之比的1.414,这可能是由于颗粒在不同径向位置引起静电感应信号的变化所致。
表1监测数据显示,静电监测方法用于直径3.0mm、2.5mm和2.0mm三种尺寸轴承钢球和黄铜球颗粒注入实验时,每一尺寸下黄铜球感应信号RMS均值均大于轴承钢球的RMS均值,这表明静电监测方法对黄铜的监测能力强于对轴承钢的监测能力。
3 轴承钢-黄铜滑动摩擦磨损实验
3.1实验装置及实验方法
对MMW-1A型万能摩擦磨损试验机的销盘摩擦副进行改装,并外接便携式的滑油系统,将自制的全流量磨粒静电传感器安装在磨损区域下游的主回路,实现对磨粒的全流量在线检测。实验装置如图10所示。实验中,采用四通道信号采集卡对油液磨粒静电信号、载荷和摩擦力矩进行采集。摩擦因数μ可由式μ=M/(rF)计算得到,其中,M为摩擦力矩,N·mm;r为球试件与盘试件旋转轴的垂直距离,mm;F为载荷,N。
实验采用昆仑牌L-HM46液压油,滑油系统稳定运行时,系统压力p=0.3MPa,体积流量qV=15L/min,油管内径为10mm,全流量磨粒静电传感器的进出油管段均为长500mm的不锈钢直圆管,计算得到雷诺数Re=759.7,润滑油流速vL=3.183m/s。润滑油实际雷诺数小于金属油管临界雷诺数2300,表明油液流动为层流。
球试件选用上海钢球厂生产的直径6mm的GCr15轴承钢球,按GB308-89测得钢球为G10级,振动级为Z3,表面硬度为HRC60,表面粗糙度Ra=0.04μm。实验前对轴承钢球采用丙酮超声清洗30min,在90℃的干燥箱中干燥60min。盘试件为黄铜(Cu、Al、Fe、Ni、Sb、Bi、P的质量分数分别为58.5%、0.2%、0.5%、1.35%、0.01%、0.003%、0.02%,杂质总和小于0.3%,其余为Zn),按尺寸ϕ80mm×8mm加工。为使黄铜盘试件达到Ra=0.4μm的要求,实验前对盘试件表面用800目氧化铝水砂纸在YG-4503砂光机粗磨,再用1600目金相砂纸精磨,采用与球试件同样方法清洗、干燥,最后用德国马尔便携式粗糙度仪M1对盘试件表面粗糙度进行测量。球试件和盘试件实物如图11所示。实验时,先启动滑油系统,运行10min稳定后开始滑动摩擦磨损实验,同时开始数据采集。实验结束后,用丙酮超声清洗球试件和盘试件30min,再在90°C的干燥箱中干燥60min。采用江南牌SZ6100平行光体视显微镜对销试件和盘试件进行摩擦表面微观分析。实验中,载荷F=100N,滑动速度v分别为3.0m/s、3.5m/s,以研究摩擦因数、静电监测信号的对应关系。
3.2实验结果及分析
图12所示为轴承钢球试件与黄铜盘试件在滑动速度v=3.5m/s,载荷F=100N时实时采集的摩擦因数、OLS静电感应信号,及对静电感应信号计算获得的感应信号RMS。由图12a可知,在开始摩擦的25s内,摩擦因数稳定在0.14左右,随后出现波动上升,最大达到0.20。图12b中,OLS静电感应信号基本围绕某一定值波动,在第27s之后,静电感应信号波动幅值增大,进一步对静电感应信号进行RMS分析,得到图12c所示的波形。从图12c看到,在开始摩擦的前27s,RMS保持在6μV左右,此后出现缓慢上升,达到8μV左右,这一变化趋势同摩擦因数相对应,所以静电信号RMS能反应摩擦过程的变化。本实验现象与文献[14]中磨损加剧时出现静电感应信号RMS整体上升趋势的规律一致。本文后一组实验中,直接采用静电感应信号RMS对油液磨粒静电信号进行分析。实验结束后,观察摩擦副表面,盘试件摩擦轨迹上有明显的较深的凹痕,球试件表面有黄铜材料粘附其上。
图13a所示为轴承钢球试件与黄铜盘试件在滑动速度v=3.0m/s,载荷F=100N时的摩擦因数、对OLS静电感应信号计算获得的感应信号RMS。由图13看到,摩擦因数变化规律与图12中规律类似,静电感应信号RMS在第65s后所对应的摩擦因数出现有较多脉冲尖峰的锯齿状信号。由颗粒注入实验可知,每个脉冲尖峰对应着一个大颗粒,表明由于磨损产生较大尺寸磨粒,摩擦因数与静电感应信号RMS呈现较好的相关性。这一特征与文献[14,15]所反映的规律一致。
3.3表面形貌分析
实验结束后,取下盘试件,在滑动轨迹周围观察到黑色物质(图14a),这些物质可能是轴承钢的磨损氧化物,也可能油碳化物。在两种实验条件下,对盘试件和球试件进行清洗、干燥处理,黄铜盘试件表面的滑动轨迹上看到犁沟槽,如图14b所示,在体视显微镜下观察其微观形貌,能清晰看到犁沟凹槽特征,这表明载荷作用下硬度大的轴承钢球在黄铜盘表面发生微切削。如图15所示,在轴承钢球表面看到一道道凸起痕迹,表明硬度大的轴承钢球也发生了磨损。黄铜盘试件表面在犁削作用下形成磨屑,引起了摩擦因数产生锯齿状波动,图12a和13a清楚地显示出摩擦因数的这一变化。图15中球表面的物质为黄铜转移物质,图14a中在滑动轨迹周围出现的黑色物质为润滑油氧化产物。伴随黄铜向轴承钢球的材料转移,黄铜在高接触应力下接触副发生塑性变形,引起接触区温度明显升高,转移的黄铜在高温作用下使润滑油的氧化速度增大10倍[23],从而产生润滑油的氧化碳化反应。
4 结论
(1)轴承钢球和黄铜球颗粒注入监测实验表明,全流量在线磨粒静电传感器具有较好的检测一致性。
(2)相同尺寸的黄铜球感应信号RMS大于轴承钢球感应信号RMS,表明静电监测方法对非铁磁性材料(黄铜)的监测能力大于对铁磁性材料(轴承钢)的监测能力。
(3)同一载荷两种滑动速度条件循环实验表明,静电感应信号与摩擦因数具有较好相关性。在磨损阶段,静电感应信号出现脉冲尖峰与持续上升。
摘要：为深入了解静电监测方法对黄铜的监测能力,采用自制的全流量在线磨粒静电传感器开展黄铜的静电监测方法研究。研究了润滑条件下轴承钢-黄铜滑动摩擦荷电磨粒的产生机理并设计了磨粒静电监测系统,开展了三种尺寸的轴承钢球和黄铜球的单颗粒注入实验、双颗粒注入实验以及相同载荷、不同滑动速度的轴承钢-黄铜滑动摩擦磨损实验,对摩擦因数、静电感应信号、静电信号均方根值进行相关性分析。研究结果表明:全流量在线磨粒静电传感器具有较好的检测一致性;静电监测方法对黄铜的监测能力强于对轴承钢的监测能力;摩擦因数与静电监测信号具有相关性,在磨损阶段,静电感应信号出现脉冲尖峰与持续上升。