[发明专利]一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪及实验方法

权利要求书

1.一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，所述实验仪包括：可调延时开关(1)、空气压缩机(2)、雾化杯(3)、第一连接气管(4)、第二连接气管(5)、油滴盒(6)、电路箱体(7)、显微摄像机(8)、显示屏(9)；

其中，所述的可调延时开关(1)通过电源导线与所述的空气压缩机(2)相连，所述的空气压缩机(2)通过所述的第一连接气管(4)与所述的雾化杯(3)相连，所述的雾化杯(3)通过所述的第二连接气管(5)与所述的油滴盒(6)相连，所述的油滴盒(6)和所述的显微摄像机(8)固定在所述的电路箱体(7)上，所述的显微摄像机(8)通过信号导线与所述的显示屏(9)相连；

所述的油滴盒(6)内设置有上、下两块圆形平板，所述的电路箱体(7)内设置有电路板，电路板通过导线与两块圆形平板相连，使两块圆形平板带有电压，此电压可通过电路板进行调节或开关，所述的电路箱体(7)通过电源导线与所述的显微摄像机(8)相连，以提供所述的显微摄像机(8)的工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，所述的空气压缩机(2)产生压缩空气流，压缩空气流经过所述的第一连接气管(4)进入所述的雾化杯(3)，使所述的雾化杯(3)内的油液剧烈震荡气化，进而产生油雾，油雾与所述的油雾杯(3)之间的相互碰撞摩擦产生电荷，最终形成大量的微小带电油滴。

3.根据权利要求1所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，所述的可调延时开关(1)用于调节所述的空气压缩机(2)的电源打开和关闭之间的时间间隔T，通过调节时间间隔T实现控制所述的空气压缩机(2)的导通时间，起到控制油液雾化量的作用。

4.根据权利要求1所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，所述的油雾杯(3)和所述的油滴盒(6)之间通过所述的第二连接气管(5)密闭连接。

5.根据权利要求1所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，所述的油滴盒(6)的上圆形平板上有一个小孔，油滴可通过小孔进入上、下两块圆形平板之间。

6.根据权利要求1所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，

所述的显微摄像机(8)可拍摄上、下两块圆形平板之间油滴的实时图像并进行适当放大然后通过信号线传送到所述的显示屏(9)上进行显示。

7.根据权利要求1所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，其特征在于，

所述的空气压缩机(2)采用活塞泵产生高速喷射式的压缩空气流，压缩空气流通过所述的第一连接气管(4)传送到所述的雾化杯(3)，所述的雾化杯(3)在使用前预先装有1～5ml的液体钟油。

8.一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验方法，其特征在于，所述实验方法包括下列步骤：

S1、往雾化杯(3)加入约1～5ml的液体钟油；

S2、设置可调延时开关(1)的延时时间；

S3、打开空气压缩机(2)的电源，经过设定的延时时间后，电源自动关闭；

S4、观察显示屏(9)，从所看到的大量运动的油滴中选择一个适合测量的油滴T，并通过电路箱体(7)的电路板，调节上、下两块圆形平板之间的电压差，使此油滴T处于平衡静止状态，此电压差值即为平衡电压；

S5、通过电路箱体(7)的电路板，关闭上、下两块圆形平板之间的电压，此时油滴T匀速下落，通过显示屏(9)观察油滴T的下落距离并测量出下落时间，可算出油滴的下落速度；

S6、根据油滴T的平衡电压和匀速下落的速度，可计算出其带电量，重复步骤S3至S5，可测出多个不同带点油滴的带电量，并最终估算出基本电荷量。

9.根据权利要求8所述的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验方法，其特征在于，所述步骤S6具体过程如下：

假设上、下两块圆形平板之间的距离为d，电压为U，假设平板之间的被测油滴的质量为m，则可以通过调节两平板的电压U，使得油滴在平板中收到的电场力和重力大小相等方向相反，这时油滴处于静止状态，根据二力平衡原理，可求得其带电量q为：

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

上式中g为重力加速度，如果把油滴看作是一个球体，则油滴的带电量可以写成：

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

上式中ρ是油滴的密度，r是油滴的半径。因此只要能测出油滴的半径，就可以求出油滴的带电量，

使用落体法测量油滴的半径，即撤掉两平板上的电压，使油滴匀速下落并测出其下落速度v，根据斯托克斯定律得到油滴下落时满足：

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

因此

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

代入(2)式即可求得油滴的带电量：

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

当测出多个带电油滴的电量后，求取这些测量值的最大公约数，即为基本电荷电量。