[發明專利]一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀及實驗方法

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• 申請號: 201710091476.4
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106652699A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 梁志強;林子琪;陳廣源
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 羅觀祥

1.一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，所述實驗儀包括：可調延時開關(1)、空氣壓縮機(2)、霧化杯(3)、第一連接氣管(4)、第二連接氣管(5)、油滴盒(6)、電路箱體(7)、顯微攝像機(8)、顯示屏(9)；

其中，所述的可調延時開關(1)通過電源導線與所述的空氣壓縮機(2)相連，所述的空氣壓縮機(2)通過所述的第一連接氣管(4)與所述的霧化杯(3)相連，所述的霧化杯(3)通過所述的第二連接氣管(5)與所述的油滴盒(6)相連，所述的油滴盒(6)和所述的顯微攝像機(8)固定在所述的電路箱體(7)上，所述的顯微攝像機(8)通過信號導線與所述的顯示屏(9)相連；

所述的油滴盒(6)內設置有上、下兩塊圓形平板，所述的電路箱體(7)內設置有電路板，電路板通過導線與兩塊圓形平板相連，使兩塊圓形平板帶有電壓，此電壓可通過電路板進行調節或開關，所述的電路箱體(7)通過電源導線與所述的顯微攝像機(8)相連，以提供所述的顯微攝像機(8)的工作電源。

2.根據權利要求1所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，所述的空氣壓縮機(2)產生壓縮空氣流，壓縮空氣流經過所述的第一連接氣管(4)進入所述的霧化杯(3)，使所述的霧化杯(3)內的油液劇烈震蕩氣化，進而產生油霧，油霧與所述的油霧杯(3)之間的相互碰撞摩擦產生電荷，最終形成大量的微小帶電油滴。

3.根據權利要求1所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，所述的可調延時開關(1)用于調節所述的空氣壓縮機(2)的電源打開和關閉之間的時間間隔T，通過調節時間間隔T實現控制所述的空氣壓縮機(2)的導通時間，起到控制油液霧化量的作用。

4.根據權利要求1所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，所述的油霧杯(3)和所述的油滴盒(6)之間通過所述的第二連接氣管(5)密閉連接。

5.根據權利要求1所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，所述的油滴盒(6)的上圓形平板上有一個小孔，油滴可通過小孔進入上、下兩塊圓形平板之間。

6.根據權利要求1所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，

所述的顯微攝像機(8)可拍攝上、下兩塊圓形平板之間油滴的實時圖像并進行適當放大然后通過信號線傳送到所述的顯示屏(9)上進行顯示。

7.根據權利要求1所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，其特征在于，

所述的空氣壓縮機(2)采用活塞泵產生高速噴射式的壓縮空氣流，壓縮空氣流通過所述的第一連接氣管(4)傳送到所述的霧化杯(3)，所述的霧化杯(3)在使用前預先裝有1～5ml的液體鐘油。

8.一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗方法，其特征在于，所述實驗方法包括下列步驟：

S1、往霧化杯(3)加入約1～5ml的液體鐘油；

S2、設置可調延時開關(1)的延時時間；

S3、打開空氣壓縮機(2)的電源，經過設定的延時時間后，電源自動關閉；

S4、觀察顯示屏(9)，從所看到的大量運動的油滴中選擇一個適合測量的油滴T，并通過電路箱體(7)的電路板，調節上、下兩塊圓形平板之間的電壓差，使此油滴T處于平衡靜止狀態，此電壓差值即為平衡電壓；

S5、通過電路箱體(7)的電路板，關閉上、下兩塊圓形平板之間的電壓，此時油滴T勻速下落，通過顯示屏(9)觀察油滴T的下落距離并測量出下落時間，可算出油滴的下落速度；

S6、根據油滴T的平衡電壓和勻速下落的速度，可計算出其帶電量，重復步驟S3至S5，可測出多個不同帶點油滴的帶電量，并最終估算出基本電荷量。

9.根據權利要求8所述的一種使用壓縮空氣流產生微小帶電油滴的密立根油滴實驗方法，其特征在于，所述步驟S6具體過程如下：

假設上、下兩塊圓形平板之間的距離為d，電壓為U，假設平板之間的被測油滴的質量為m，則可以通過調節兩平板的電壓U，使得油滴在平板中收到的電場力和重力大小相等方向相反，這時油滴處于靜止狀態，根據二力平衡原理，可求得其帶電量q為：

$q=\frac{mgd}{U}---\left(1\right)$

上式中g為重力加速度，如果把油滴看作是一個球體，則油滴的帶電量可以寫成：

$q=\frac{\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^{3}g\mathrm{\ρ}gd}{U}---\left(2\right)$

上式中ρ是油滴的密度，r是油滴的半徑。因此只要能測出油滴的半徑，就可以求出油滴的帶電量，

使用落體法測量油滴的半徑，即撤掉兩平板上的電壓，使油滴勻速下落并測出其下落速度v，根據斯托克斯定律得到油滴下落時滿足：

$6\mathrm{\π}\mathrm{\η}rv=\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3\mathrm{\ρ}g---\left(3\right)$

因此

$r=\sqrt{\frac{9\mathrm{\η}v}{2g\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

代入(2)式即可求得油滴的帶電量：

$q=\frac{18{\mathrm{\π\η}}^{3/2}}{{\left(2g\mathrm{\ρ}\right)}^{1/2}}\frac{d}{U}{v}^{3/2}---\left(5\right)$

當測出多個帶電油滴的電量后，求取這些測量值的最大公約數，即為基本電荷電量。