起电机

实验装置

起电机，又名感应起电机，是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。其旋转盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组成，中有空隙，每块向外的表面上都贴有铝片，铝片以圆心为中心对称分布。

操作方法

感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。感应起电机所产生的电压较高，与其他仪器配合后，可进行静电感应、雷电模拟实验、演示尖端放电等有关静电现象的实验。

1882年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效率很高，并能产生高电压。这种起电机一直沿用至今，在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用到它。摩擦起电机的出现，这种由人工产生的新奇电现象，引起了社会广泛的关注，不仅一些王公贵族观看和欣赏电的表演，连一般老百姓也受到吸引。整个社会都对电现象感兴趣，普遍渴望获得电的知识。电学讲座成为广泛的要求，演示电的实验吸引了大量的观众，甚至大学上课时的电学演示实验，公众都挤过去看，以至达到把大学生都挤出座位的地步。摩擦起电机的出现，也为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要的作用。

类型

静电型

一种借助人力或其他动力克服静电力以获得静电的机械，简称起电机。跟一般的发电机不同，起电机只能产生较高的电压，而由此放电产生的短暂脉冲电流，平均值很小，一般不超过几毫安。

最早的静电起电机出现在17世纪，O.von盖利克利用摇柄使一个硫磺球（后改用玻璃球）迅速旋转，用人手（或皮革）与之摩擦起电。到19世纪，这种摩擦起电机为感应起电机所取代。1775年，A.伏打创造了一种起电盘，它由一块绝缘物质（石蜡、硬橡胶、树脂等）制成的平板和一块带有绝缘柄的导电平板组成。通过摩擦使绝缘板带上正电（或负电），然后将导电板放到绝缘板上面。因为导电板和绝缘板表面不是十分平坦的，它们之间真正互相接触的只有少数几个点，因此只有极少的正电转移到导电平板上。相反地，由于静电感应，导电板上靠近绝缘板的一测出现负电，另一侧出现正电。将导电板接地，地中的负电就会跟导电板上的正电中和，结果使导电板带上负电。断开导电板跟地的连接，手握绝缘柄，将带负电的导电板从绝缘板表面移开，导电板上获得负电荷。这时绝缘板上的电荷并没有改变，将导电板上的负电荷移去之后再放回到绝缘板上，可重新感应起电。重复上述过程，就可以不断得到负电荷。每次将带负电的导电板同带正电的绝缘板分开时都需要作一定的机械功。

1865年A.推普勒和W.霍耳茨分别制成感应起电机。后由H.维姆胡斯对已有的静电起电机作了改进。维姆胡斯起电机，由一对可以用相同的转速朝相反的方向旋转的平行玻璃圆盘构成。每一块玻璃盘的外围均匀分贴着数十张互相绝缘的金属箔。

在历史上，维姆胡斯起电机曾经是产生高电压的重要工具，则主要用于课堂演示静电现象及空气中的放电现象。一对约60厘米直径的玻璃盘以100转/分的速度旋转，大约可以产生50000伏的电压。大型的维姆胡斯起电机可以在空气中产生十多厘米长的电弧，同时发出强烈的噼啪声。

为了分离出更多的电荷，产生更高的电压，可以采用范德格喇夫起电机。它是R.J.范德格喇夫于1931年发明的。范德格喇夫起电机的主要部分是一个装在直立的绝缘管上的巨大空心金属球和一个装在管内上下两个滑轮上的绝缘传送带。由于静电感应和电晕放电作用，传送带上的电荷转移到金属球上。当橡皮带不断运动时，电荷就被不断传送到金属球的表面，球的电位随之不断升高。范德格喇夫起电机能产生的最高电压视金属球半径的大小而异。半径为1米的金属球约可产生1兆伏（对地）的高电压。为了减少大气中的漏电，提高电压，减小体积，可以将整个装置放在充有10～20个大气压的氮气的钢罐中。

产生正极性的范德格喇夫起电机在科学研究中用作正离子的加速电源。产生负极性的范德格喇夫起电机应用在高穿透性X射线发生器中。有时也称范德格喇夫加速器。

维氏起电机

感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。莱顿瓶是个电容，用来储电。感应起电机在左右各有一莱顿瓶，两莱顿瓶集聚不同种电荷，作为电源的正负极。

当顺时针摇动转轮上的摇柄时，由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。

滴水起电机

滴水起电机英国科学家开尔文曾设计了一架非常有趣的发电机——滴水起电机最上边是两根滴水管，管口大小使得流出的水刚好形成水滴而间隙又不过长。水滴从水管流出来，穿过金属薄壁管后滴入下方的金属水箱。薄壁管与水箱用导线交叉地连接起来。水滴滴了一会之后，一个水箱带了正电，而另一个带了负电。该起电机的两边是完全对称的，为什么两只水箱带了不同的电荷呢？滴水发电机是根据感应起电的原理设计的。在周围的无线电波，宇宙射线的作用下，两个金属水箱都带了负电，但是它们所带的电量一般不等。带负电荷较多的水箱接着另一边上角的金属薄壁。由于静电感应，带负电的金属薄壁管把水中的正离子召唤过来，该边的滴水管口（最上方）便出现了正电荷。因此当水滴下落时，就会把正电荷带到该边带负电荷较少的金属水箱中。如此这般积少成多，循环进行，电荷分离速度逐步加快。一会儿便能在两根金属箱之间建立起一万五千伏以上的高电压。

工作原理

演示实验用范氏起电机的内部结构如图1所示。

主要部件有金属球壳、绝缘支架、上滚轮、下滚轮、传送带、自激梳、集电梳、单相交流电动机等。

1、摩擦起电原理

范氏起电机静电荷来源是基于两种不同材料摩擦起电的原理（包括紧密接触起电）。一般说来两种不同的材料发生摩擦时都会发生电荷的转移，获得电子的材料带负电；失去电子的材料带正电。由于金属材料的自由电子很容易转移，保存这些电荷特别困难，所以实际应用中都采用绝缘材料摩擦来获得静电荷。绝缘体摩擦产生的电荷称为束缚电荷，其涵义为，这些电荷在哪里产生就停留在哪里而不能在绝缘材料上移动。范氏起电机的两个摩擦对象是：下滚轮与传送带。根据需要适当地选择两种材料的组合：可以使下滚轮带正电、传送带带负电；调换材料的组合也可使带电情况相反。交流电动机与下滚轮共轴，接通220V交流电源，电动机随即带动下滚轮转动。下滚轮与传送带之间的摩擦和紧密接触作用，导致两介质带上异种电荷。这里不妨假设下滚轮带正电，传送带带负电。

2、尖端放电原理

传送带左边做上行运动、右边做下行运动。负电荷随着传送带的上行而上移，当负电荷到达上滚轮附近时，在上滚轮附近设置有集电梳，所谓集电梳就是一排整齐的金属尖针，它的外形正像日常生活用品-梳头的梳子。在尖端导体强电场的作用下，与尖端电荷极性相反的离子飞向尖端跟尖端电荷中和；与尖端电荷极性相同的离子受到排斥背离尖端飞走，这就是所谓尖端放电。根据尖端放电原理，传送带上的负电荷（束缚电荷）经过集电梳时必然发生尖端放电，负电荷飞向尖端并迅速分布到球壳表面。总之，在尖端放电的作用下，传送带的负电荷顺利地转移到金属球外表面。

3、电荷自激原理

摩擦起电的电荷量太小，不能使金属球带上足够多的静电荷，大球与小球之间不能产生强烈的火花放电。因此仪器还需要电荷的自激机制。下滚轮、传送带、自激梳三者构成了电荷自激系统。在摩擦起电的过程中，负电荷被传送带源源不断地运走，但正电荷只能聚集在下滚轮，而且越聚越多。这样下滚轮正电荷的面密度就大大高于传送带的负电荷的面密度，因此正电荷是矛盾的主要方面：下滚轮周围空间的电场就是正电荷形成的强大电场。在正电荷电场作用下导致自激梳发生尖端放电，由于传送带的中介隔离作用，尖端放电放出的负电荷不能与下滚轮的正电荷相遇中和，这些负电荷只能吸附于传送带且被上行的传送带带走。运转一定时间后，下滚轮的带电荷增加量与泄漏量达到动态平衡。一定量的正电荷通过自激梳的尖端放电可产生无限量的负电荷，这就是范氏起电机的电荷自激原理。实验表明：取下自激梳仅依靠摩擦电荷对金属球充电它只能带有微弱电荷。

4、火花放电原理

起电机金属球相当于一个电容器，这个电容器可视为两个同心球壳构成，一个球壳半径是R ；另一个球壳半径为无穷大，两球壳组成的电容器容量是C=4πε0R。集电梳作用就是给这个电容器不断充电。大球带上足够的负电荷后，将小球靠近大球，可看到明亮的电火花同时听到爆鸣声，即发生了“火花放电”。火花放电时碰撞电离并不是发生在两个电极之间的整个区域，而是发生在狭窄曲折的闪光通道中。空气击穿后突然由绝缘体变为导体，两个电极上的电荷很快中和，因此放电之后两极间的电压迅速降低，火花放电很快停止。需要等待起电机继续起电，当两极间的电压又升到一定数值方能再次看到火花放电，所以火花放电是间断发生的。

5、感应起电原理

范氏起电机可演示感应起电实验。摩擦起电与感应起电是两种基本的静电起电方式。当起电机的金属球带上一定电荷时，教师手持验电器慢慢靠近金属球，学生看到验电器的两箔片逐渐张开，靠得越近张开的角度越大；再将验电器逐渐远离金属球时张角变小，验电器离开金属球足够远时两箔片合拢。这就是感应起电实验。在感应起电过程中验电器所带的净电荷等于零。然而验电器与金属球靠得足够近时发生火花放电，此时验电器带上了净电荷，再将验电器远离金属球时两箔片不再合拢。

故障排除

范氏起电机是静电理论知识综合实践应用的范例，掌握了范氏起电机的结构和工作原理后不难排除起电机的常见故障。结合我们在教学实验中遇到的故障及排除方法做出概括性陈述。

1、电动机不转或旋转无力

范氏起电机一般使用电容启动式单相交流电动机驱动滚轮转动，使用日久后启动电容器容易漏电变质甚至完全损坏，此时出现电动机旋转无力或者只有交流声而不旋转的现象。可照原来电容器的容量和耐压数值购买新的电容器并且更换。

2、起电机几乎不起电

最具可能的原因就是机器潮湿或灰尘多致使各部件绝缘性能变差。如果绝缘支架、下滚轮、上滚轮、橡胶带、金属球表面等有纤维物、汗渍或灰尘等，都会造成许多微小的尖端，使产生的电荷直接从尖端通过电晕放电流散到空气中。因此需要用清洁抹布将各个组件表面擦干净，且不要用手直接触摸仪器。环境湿度太大也会导致起电机不起电，含杂质的水分子附着在绝缘体表面会使仪器绝缘性能大大降低。起电机内部安装有一盏白炽灯可用来烘干除湿。如果白炽灯不亮，可以检查电路故障或者更换新灯泡。若白炽灯烘干效果不理想可考虑另加红外线的烘干热源，总之要保证演示实验环境的清洁、通风、干燥。

3、起电机正常工作但起电量较小

这也是经常发生的故障，造成故障的原因可能来自几个方面。一是自激梳的位置发生偏移。由前文分析可知，集电梳就是一排整齐的金属尖针，而金属尖针紧密连续的排列就等同于金属刀片。电荷自激原理告诉我们，集电梳可以实现下滚轮有限量的正电荷通过尖端放电原理产生无限量的负电荷，且附着于传送带而上行。因此自激梳如果出现偏移就不能很好地发挥电荷自激装置的作用，起电机只能产生微弱的静电荷。可以仔细地调整自激梳到“合适位置”----使得自激梳尽量靠近传送带但不要碰触传送带；二是集电梳的位置发生偏移。集电梳如果与传送带距离太大即不能很好地收集静电荷；集电梳如果与传送带的距离过近则容易划伤传送带，也不能正常地收集静电荷。可以通过反复仔细的调节集电梳的左右两侧螺母使其到达合适位置，这里的“合适位置”与自激梳的要求相同；三是前面说到的潮湿问题以及仪器不清洁问题也是造成起电机电荷量小的原因。

4、传送带偏离上下滚轮的中线

当传送带偏离上下滚轮的中线较多时，传送带会与绝缘支架内壁摩擦，造成传送带与支架内壁磨损受伤。此时需要松开电动机安装支架，重新调整电动机位置且固定之；或者调试上滚轮两端的螺母，使橡胶带到达较理想的中线位置。传送带如果出现裂纹老化现象直接影响起电效果，必须更换新的传送带。此外需要注意：教学演示结束要将小球与大球接触完全放电后人体方可接触金属球。

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