CN210110143U - 一种摩擦起电教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种摩擦起电教具，属于教学教具技术领域。该教具包括摩擦部件、接收器和发光部件，接收器和发光部件通过封装壳固定，摩擦部件包括与接收器固定的固定摩擦层和与教具相对独立的独立摩擦层，接收器位于摩擦部件上方、发光部件下方，发光部件与接收器的导电片相连。摩擦部件是教具产生摩擦起电现象的主要部件；接收器将摩擦部件产生的摩擦起电转换为摩擦发电，发光部件将摩擦起电现象直观展示。该摩擦起电教具解决了现有的摩擦起电教具结构复杂、不易激发学生探索科学的兴趣、教学展示效果不佳等问题。

Description

一种摩擦起电教具

技术领域

本实用新型涉及教学教具技术领域，特别是指一种摩擦起电教具。

背景技术

摩擦起电现象在小学科学课本中以及在九年级物理课本中提到，九年级物理课本在小学课本的基础上进一步讲解摩擦起电现象，并认识两种电荷及两种电荷之间的作用规律。为了让学生更生动直观地学习什么是摩擦起电现象，掌握摩擦起电的实质，现有技术中出现了摩擦起电的教学教具。中国专利CN208444482U公开了一种摩擦起电的趣味演示装置，包括底座以及设置在底座上的第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构驱动第一摩擦件转动，所述第二驱动机构驱动第二摩擦件靠近或远离第一摩擦件；在第一摩擦件与第二摩擦件之间实现摩擦时，在所述第一摩擦件与第二摩擦件上空放置用于演示静电力作用效果的轻质演示件。该摩擦起电演示装置结构复杂，对于电荷的演示不够明显。中国专利CN201732506U公开的教学用摩擦起电检测装置，由暗盒、左观察孔、右观察孔、金属片和氖泡组成，结构中需要暗室和观察孔，结构复杂、不适于多个同学观察现象，展示效果不明显、展示效率低等问题。以上摩擦起电教学教具结构复杂、不易激发学生探索科学的兴趣、教学展示效果不佳。近年来，新兴技术摩擦纳米发电机技术可以收集生活中的机械能并转换为电能，根据摩擦起电现象和静电感应原理耦合，可以将摩擦起电转化为摩擦发电，其理论源头为麦克斯韦位移电流。因此，设计一种既能够直观展示摩擦起电现象，又能够进一步将静电荷的知识延伸到摩擦发电技术的教具，在摩擦起电现象的教学过程中具有重要的意义。

实用新型内容

本实用新型为解决现有的摩擦起电教学教具结构复杂，展示效果枯燥不易激发学生们探索科学的兴趣，知识导入性和知识的延伸性单一，教学展示效果不明显等问题，提供一种摩擦起电教具。

该教具包括摩擦部件、接收器和发光部件，其中，摩擦部件包括固定摩擦层和独立摩擦层，固定摩擦层与接收器固定连接，独立摩擦层与该教具相对独立，接收器由多个独立且阵列式分布的导电片组成，接收器位于摩擦部件上方，发光部件位于接收器上方，发光部件与接收器的导电片相连。

固定摩擦层和独立摩擦层在外界作用力下产生相互摩擦，固定摩擦层和独立摩擦层表面产生相应的极化静电荷，摩擦部件是摩擦起电教具产生摩擦起电现象的主要部件；

接收器用于收集摩擦部件中摩擦起电现象产生的能量并转化为电能，传输至发光部件，接收器是摩擦起电教具将摩擦起电即“静电”转换为摩擦发电即“流动的电”的主要部件之一；

发光部件是所述摩擦起电教具教学现象展示的主要部件，以及将摩擦起电即“静电”转换为摩擦发电即“流动的电”的主要部件之一。

接收器的导电片不少于2个，导电片竖直放置，导电片的底面为多边形，优选长方形，长宽比例优选为百分之一百到百分之九百，高与宽的比例优选为百分之一百到百分之九百。导电片为导电材料，可以选自导体、半导体、高分子导电材料、低电阻的材料，其中，导体包括铂、金、银、铜、铁、铝、钯、镍、钛、钒、铬、锰、硒、钼、钨、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金、铍合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金、钽合金和铁合金；半导体包括金刚石、方铅矿、闪锌矿、氧化亚铜、锗、硅、碳化硅、酞菁、氮化镓、氧化锌、二氧化钛、铟锡氧化物、离子掺杂的半导体；所述高分子导电材料包括聚酞菁类化合物、聚丙烯腈、聚吡咯、聚苯胺、石墨烯及其衍生物、聚氧化乙烯；所述低电阻材料导电材料包括但不限于铟锡氧化物、碳布、碳纳米管、离子掺杂的半导体、导电粉末、导电陶瓷材料和导电薄膜材料、炭黑、导电玻璃。

接收器和发光部件通过封装壳固定，封装壳为中空结构，封装壳的表面材料为绝缘材料，内部材质可以选自导电材料或者绝缘材料，封装壳的厚度为100微米-1厘米，优选范围为500微米-3毫米，封装壳底部固定接收器，封装壳上部固定发光部件。

发光部件包括LED灯、电子手表、电子显示器、小型电子显示设备等电流流过可以产生明显变化的电子元器件。

发光部件为LED灯时，LED灯不少于1个，LED灯串联、并联或独立间隔放置。

LED灯的正负极分别与接收器中相邻的两个导电片相连，组成串联电路。

固定摩擦层和独立摩擦层在外力作用下进行机械摩擦，在固定摩擦层和独立摩擦层表面产生相应的电荷，当固定摩擦层和独立摩擦层在外力驱动下互相接触时，固定摩擦层和独立摩擦层的表面会带上等量异号的静电荷；当在外力作用下固定摩擦层和独立摩擦层发生分离时，两种静电荷也随之发生分离；根据静电感应原理，在接收器的相邻两个导电片之间产生电势差，驱动电子在发光部件的LED灯中流动。由于固定摩擦层和独立摩擦层在外力作用下不断发生接触和分离过程，此时根据摩擦起电现象和静电感应原理，产生的电荷量是变化的，周围产生变化的麦克斯韦位移电场；接收器中导电片感应的是变化的麦克斯韦位移电场，由于LED灯的正负极分别与相邻两个导电片连接，两个导电片之间是不导通的，两个导电片上感应的电荷量不同，在接入LED灯的两端产生电势差，从而LED灯发光。

固定摩擦层和独立摩擦层的表面有至少一种或几种微观结构的组合，其中，微观结构为纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米带、纳米锥、纳米球、纳米阵列中的一种。

固定摩擦层和独立摩擦层的材料均为绝缘材料，独立摩擦层的材料为柔性材料，厚度为20微米到1厘米，优选范围为50微米到5毫米。其中，绝缘材料选自聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素薄膜、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、木头和不具有导电性能的高分子聚合物。

固定摩擦层和独立摩擦层的材料选择可以为同一种材料也可以为不同种材料。当固定摩擦层和独立摩擦层为表面结构相差越大的同一种材料时，固定摩擦层和独立摩擦层相互摩擦，因局部曲率不同，固定摩擦层和独立摩擦层会因摩擦起电现象带上等量异号的电荷；当固定摩擦层和独立摩擦层选为不同材料时，优选摩擦电序列相差较大的材料。

固定摩擦层与接收器之间的固定方式不限，可以为任意固定两个物体的方式，例如，粘贴、焊接、电镀、溅射等。

摩擦起电教具通过固定摩擦层和独立摩擦层之间的机械摩擦，在固定摩擦层和独立摩擦层的表面产生等量异号的静电荷，这些表面静电荷产生表面极化场，表面静电荷引起的极化密度的贡献产生了麦克斯韦位移电流。麦克斯韦位移电流不是自由电荷流动产生的电流，而是由时变电场和介质极化引起的。摩擦后的固定摩擦层和独立摩擦层的周围产生静电场，由于静电感应在导电片上会产生感应电荷，不同的导电片上感应的电荷量不同会具有不同的电势，在接入的发光部件的两端产生电势差，从而对发光部件进行供电。

接收器从变化的麦克斯韦位移电场中收集能量驱动发光部件，能量接受的方式为无线传输。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

1、本实用新型的一种摩擦起电教具，无需暗室或者驱动机构，摩擦发电部件经过机械摩擦发生摩擦起电现象，产生的摩擦起电极化静电荷，因接收器中导电片的静电感应，在发光部件的两端产生电势差，从而达到发光的演示效果，该摩擦起电教具的结构简单、节约成本、所占空间小，演示效果佳；

2、本实用新型的一种摩擦起电教具，与现有的摩擦起电教具相比，所述的摩擦起电教具通过将摩擦起电现象产生的“静电”转化为“流动的电”点亮发光部件中的LED灯，无需暗室，学生们可以清晰直观地观察到电荷的存在，具有趣味性；

3、本实用新型的一种摩擦起电教具，外观小巧、美观，将摩擦起电现象讲起延伸到前沿科学技术摩擦发电，充满知识性和趣味性，适用于摩擦起电教学以及科普教学教具模型展示。

附图说明

图1为本实用新型的摩擦起电教具结构示意图；

图2为摩擦起电教具的工作原理示意图；

图3为本实用新型的摩擦起电教具的实物图。

其中：11-封装壳；21-固定摩擦层；22-独立摩擦层；31-接收器；41-LED灯。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种摩擦起电教具，如图1所示，该教具包括摩擦部件、接收器和发光部件，其中，摩擦部件包括固定摩擦层21和独立摩擦层22，固定摩擦层21与接收器31固定连接，独立摩擦层22与该教具相对独立，接收器31由多个独立且阵列式分布的导电片组成，接收器31位于摩擦部件上方，发光部件位于接收器31上方，发光部件与接收器31的导电片相连。发光部件选用LED灯41。

在具体实施过程中，本实施例提出一种摩擦起电教具，所述摩擦起电教具包括：

摩擦部件，所述摩擦部件包括与接收器固定的固定摩擦层和与摩擦起电教具相对独立的独立摩擦层，固定摩擦层和独立摩擦层在外界作用力下产生相互摩擦，固定摩擦层和独立摩擦层表面产生相应的极化静电荷，摩擦部件是所述摩擦起电教具产生摩擦起电现象的主要部件；

接收器，所述接收器由多个独立且阵列式分布的导电片组成，所述接收器分别与摩擦部件和发光部件固定，接收器位于摩擦部件的上方，发光部件的下方，所述接收器用于收集摩擦部件中摩擦起电现象产生的能量并转化为电能，传输至发光部件，所述接收器是摩擦起电教具将摩擦起电即“静电”转换为摩擦发电即“流动的电”的主要部件之一；

发光部件，所述发光部件与接收器的导电片相连，所述发光部件是所述摩擦起电教具教学现象展示的主要部件，以及将摩擦起电即“静电”转换为摩擦发电即“流动的电”的主要部件之一。

所述摩擦起电教具包括封装壳或不包括封装壳，所述封装壳用于固定接收器和发光部件。

所述固定摩擦层和独立摩擦层在外力作用下进行机械摩擦，在固定摩擦层和独立摩擦层表面产生相应的电荷，当固定摩擦层和独立摩擦层在外力驱动下互相接触时，固定摩擦层和独立摩擦层的表面会带上等量异号的静电荷；当在外力作用下固定摩擦层和独立摩擦层发生分离时，两种静电荷也随之发生分离，根据静电感应原理，在接收器的相邻两个导电片之间产生电势差，驱动电子在发光部件的LED灯中产生流动。由于固定摩擦层和独立摩擦层在外力作用下不断发生接触和分离过程，此时根据摩擦起电现象和静电感应原理，产生的电荷量是变化的，周围产生变化的麦克斯韦位移电场；接收器中导电片感应的是变化的麦克斯韦位移电场，由于LED灯的正负极分别与相邻两个导电片连接，两个导电片之间是不导通的，两个导电片上感应的电荷量不同，在接入LED灯的两端产生电势差，从而LED灯发光。

所述发光部件可以为LED灯及其他电流流过可以产生明显变化的电子元器件，所述LED灯的个数为一个以上，所述LED灯的连接方式可以串联、并联以及独立间隔放置。

所述封装壳的表面材料选自绝缘材料，内部材质可以选自导电材料或者绝缘材料；

所述封装壳为中空结构，底部固定接收器，上部固定发光部件，封装壳的厚度为100微米-1厘米，优选范围为500微米-3毫米。

所述接收器为相互独立陈列式排列的导电片，导电片为竖直放置，导电片的底面为多边形，优选为长方形，长宽比例优选为百分之一百到百分之九百，高与宽的比例优选为百分之一百到百分之九百。

所述导电片的材质为可以导电的材料，可以选自导体、半导体、高分子导电材料、低电阻的材料。

所述接收器中相邻的两个导电片分别与发光部件中LED灯的正负极相连接。

所述摩擦发电部件中固定摩擦层和独立摩擦层的材料均为绝缘材料。

所述固定摩擦层和独立摩擦层的材料选择可以为同一种材料也可以为不同种材料。当固定摩擦层和独立摩擦层为表面结构相差越大的同一种材料时，固定摩擦层和独立摩擦层相互摩擦，因局部曲率不同，固定摩擦层和独立摩擦层会因摩擦起电现象带上等量异号的电荷；当固定摩擦层和独立摩擦层选为不同材料时，优选摩擦电序列相差较大的材料。

进一步地，所述固定摩擦层和独立摩擦层的表面可以有至少一种或几种微观结构的组合，微观结构选自纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米带、纳米锥、纳米球、纳米阵列等。

所述独立摩擦层的材料优选为柔性材料，厚度为20微米到1厘米，优选范围为50微米到5毫米。

所述固定摩擦层与接收器之间的固定方式不限，可以为任意固定两个物体的方式，例如，粘贴、焊接、电镀、溅射等。

所述摩擦起电教具通过固定摩擦层和独立摩擦层之间的机械摩擦，在固定摩擦层和独立摩擦层的表面产生等量异号的极化静电荷，这些表面静电荷产生表面极化场，表面静电荷引起的极化密度的贡献产生了麦克斯韦位移电流。麦克斯韦位移电流不是自由电荷流动产生的电流，而是由时变电场和介质极化引起的。摩擦后的固定摩擦层和独立摩擦层的周围产生静电场，由于静电感应在导电片上会产生感应电荷，不同的导电片上感应的电荷量不同会具有不同的电势，在接入的发光部件的两端产生电势差，从而对发光部件进行供电。

所述接收器从变化的麦克斯韦位移电场中收集能量驱动发光部件，能量接受的方式为无线传输。

根据上述提出的一种摩擦起电教具如图1～3所示：

图1是一种摩擦起电教具典型示意图，其中摩擦起电教具的发光部件为串联的LED灯41，接收器31中导电片的个数为5个，导电片的尺寸为长14毫米*宽2毫米*高7毫米，固定摩擦层21和独立摩擦层22为不同的材质，封装壳11的材质为表面有绝缘漆的不锈钢。

图2是一种摩擦起电教具的工作原理示意图，摩擦起电教具工作原理分为三个阶段，第一阶段，固定摩擦层21和独立摩擦层22在外力的作用下进行机械摩擦发生摩擦起电现象，本实施例中固定摩擦层21为聚酰亚胺和独立摩擦层22为丝绸，固定摩擦层21和独立摩擦层22之间存在不同摩擦电序列，因为摩擦起电现象，固定摩擦层21聚酰亚胺表面带上极化静负电荷，独立摩擦层22丝绸表面带上等量的极化静正电荷，如图2(I)所示；第二阶段，当固定摩擦层21和独立摩擦层22发生分离时，固定摩擦层21和独立摩擦层22所带的极化静电荷也发生分离，此时和固定摩擦层21接触的导电片发生静电感应，在相邻两个导电片之间产生电势差，驱动电子在与相邻的两个导电片连接的LED灯41中流动，从而点亮LED灯41，过程如图2(II)所示；第三阶段时电荷重新达到平衡状态，此时没有电流经过如图2(III)所示。

本实施例中固定摩擦层21材料选自聚酰亚胺，固定摩擦层21的厚度为50微米，独立摩擦层22材料选自丝绸，独立摩擦层22的厚度为200微米，固定摩擦层22和接收器31的连接方式为粘贴。

本实施例的摩擦起电教具的实物图如图3所示。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种摩擦起电教具，其特征在于：包括摩擦部件、接收器和发光部件，其中，摩擦部件包括固定摩擦层(21)和独立摩擦层(22)，固定摩擦层(21)与接收器(31)固定连接，独立摩擦层(22)与该教具相对独立，接收器(31)由多个独立且阵列式分布的导电片组成，接收器(31)位于摩擦部件上方，发光部件位于接收器(31)上方，发光部件与接收器(31)的导电片相连。

2.根据权利要求1所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述接收器(31)的导电片不少于2个，导电片竖直放置。

3.根据权利要求1所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述接收器(31)和发光部件通过封装壳(11)固定，封装壳(11)为中空结构，封装壳(11)的表面材料为绝缘材料，封装壳(11)的厚度为100微米-1厘米，封装壳(11)底部固定接收器(31)，封装壳(11)上部固定发光部件。

4.根据权利要求1所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述发光部件包括LED灯、电子显示设备。

5.根据权利要求4所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述发光部件为LED灯，LED灯串联、并联或独立间隔放置。

6.根据权利要求4所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述LED灯的正负极与导电片相连接。

7.根据权利要求1所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述固定摩擦层(21)和独立摩擦层(22)的材料均为绝缘材料，独立摩擦层(22)的材料为柔性材料，厚度为20微米到1厘米。

8.根据权利要求7所述的摩擦起电教具，其特征在于：所述固定摩擦层(21)和独立摩擦层(22)的材料为同种绝缘材料或不同种绝缘材料。

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