感應起電機

感應起電機，是一種能連續取得並可積累較多正、負電荷的實驗裝置。感應起電機所產生的電壓較高，與其他儀器配合後，可進行靜電感應、雷電模擬實驗、演示尖端放電等有關靜電現象的實驗。感應起電機在靜電學的實驗中用來產生靜電高電壓，配合其它儀器進行關於導體表面的電荷分布，靜電場的電力線，尖端放電和真空管（部分蓋斯勒管或克魯克斯管）的放電等實驗。也可以獨立進行靜電感應、火花放電、尖端放電和點容器（指起電機上的萊頓瓶）的電容量的變化等靜電實驗。

基本介紹

• 中文名：感應起電機
• 外文名：By induction motor

背景資料

1882年，英國維姆胡斯創造了圓盤式靜電感應起電機，其中兩同軸玻璃圓板可反向高速轉動，摩擦起電的效率很高，並能產生高電壓。這種起電機一直沿用至今，在各中學的物理課堂上作電學演示實驗時，就經常用到它。

摩擦起電機的出現，這種由人工產生的新起電現象，引起了社會廣泛的關注，不僅一些王公貴族觀看和欣賞電的表演，連一般老百姓也受到吸引。整個社會都對電現象感興趣，普遍渴望獲得電的知識。電學講座成為廣泛的要求，演示電的實驗吸引了大量的觀眾，甚至大學上課時的電學演示實驗，公眾都擠過去看，以至達到把大學生都擠出座位的地步。摩擦起電機的出現，也為實驗研究提供了電源，對電學的發展起了重要的作用。

起電部件的結構與使用技巧

起電機的結構和各部件名稱見圖1。

兩個起電盤分別固定在兩個受動輪的輪軸上，當同軸的兩個驅動輪旋轉時，兩根交叉的皮帶分別帶動兩個受動輪反向旋轉，從而使兩個起電盤也反向轉動。因此，在安裝和更換皮帶時不可忽略兩根傳動皮帶的方向。若傳動皮帶安裝錯誤導致兩個起電盤同向轉動，則兩個起電盤上正對的鋁片由於靜電感應帶的是異種電荷，同時經過集電梳，將被中和而不能起電。在起電盤轉軸上，前後固定了兩根電刷，兩電刷的方向互為90°夾角。

電刷與一片片旋轉的鋁片實現間歇式動態接觸，起到了傳導電荷的作用。從它的作用上可以看出，電刷的材料應該導電性能良好、彈性好，工藝結構能夠實現面接觸。但目前配發的起電機電刷質量不盡如人意。被用作電刷的銅絲含銅量低、柔軟性差，甚至有的用鐵絲代替。幾個稀疏而擴散的劣質金屬絲划過鋁片時，極容易劃損鋁片。尤其對於用鋁粉噴塗代替鋁片的起電機，鋁粉很容易被劣質電刷劃落，散落在有機圓盤上。其後果是鋁片的感應效果減弱，有機圓盤絕緣性能下降，劃傷後的鋁片毛刺與劣質電刷容易出現尖端放電。

因此，我們在使用和維護中，需要注意：

①用含銅量高的紫銅絲置換現有起電機的劣質電刷材料，且銅絲數量應該讓電刷能夠與鋁片做到面接觸。

②使用前應清潔起電盤、電刷和鋁片等部件。若電刷質量無誤，則起電機不能起電最常見的問題是電刷方向。由於連線驅動輪的軸中心螺紋和搖柄螺紋已經固定，只有當順時針搖動搖柄，驅動輪才能持續轉動。電刷位置應斜於左上方和右下方，與豎直線約成45°角。正反面電刷互成直角時起電效率最佳。若電刷位置斜於右上方和左下方，搖動搖柄時，同一集電梳的兩側尖端收集異種電荷，將被中和，放電叉上沒有電荷。起電機操作中起電效果並非轉動得越快越好，而是應該平穩而勻速地轉動，保證兩片有機玻璃間隙均勻。若過快轉動起電盤，還會影響電刷與鋁片的接觸，以及靜電感應作用，起電效果反而不好。

儲電部件的結構與使用技巧

當兩個放電叉收集到很多電荷，兩者形成高電壓，它們之間的氣體被擊穿時才能觀察到氣體放電出現的閃光和爆裂聲。集電梳和萊頓瓶是用來收集和儲存電荷的。若沒有萊頓瓶，則只有在黑暗條件下才能觀察到放電小球的微弱放電現象，且放電頻率高。平時演示實驗在白天教室中完成，為了產生明顯的實驗現象，需要藉助萊頓瓶。兩個萊頓瓶之間可以用連線片實現連線和斷開。當下線片時，萊頓瓶的電容量較小，由於U=Q/C，只要起電機中產生較小電荷量，兩個放電小球間就形成足夠的高電壓，形成火花放電。所以放電頻率較高，電火花較弱。閉合連線片，即把兩萊頓瓶連線，電容量增大，可以發現放電小球間的電火花增強，放電聲更大，兩次放電間隔的時間加長。

因此，當有火花放電，但效果不明顯時，首先要檢查儲電部件狀態。萊頓瓶內部結構如圖所示，內外表面都有一層金屬塗層，瓶蓋上有一個小孔，用一根“彈簧”的上端頂住小孔與連線集電梳的金屬桿接觸，下端與萊頓瓶內部金屬塗層接觸。一些企業生產的萊頓瓶內部材料和工藝十分粗糙：“彈簧”沒有彈性，固定結構的材料只是硬鋼絲。所以效果欠佳時，首先檢查連線集電梳的金屬桿與萊頓瓶內部金屬壁的接觸。最根本的補救方法是更換劣質的連線材料。銅質鏈條連線件是最佳選擇，因為自然下垂的銅鏈可以保證萊頓瓶金屬內壁的良好接觸。若遇放電效果仍不佳時，首先檢查萊頓瓶內的空氣是否乾燥，然後檢查兩個萊頓瓶的連線情況。導線和連線片可能生鏽，造成尖端放電，嚴重的可能不導電。與萊頓瓶相連的金屬桿的一端安裝著集電梳，其作用是從轉動的鋁片上感應收集電荷，並傳導儲存到萊頓瓶。使用過程要保持集電梳處於水平狀態，集電梳上的U型腳要與起電盤保持對稱間歇。

整機性能的改進與實驗技巧

靜電儀器的絕緣性是與材料清潔度及周圍環境密切相關的。使用前應對起電機進行清潔。用於擦拭起電盤的布必須是清潔乾燥不易脫落纖維的柔性布，因為粘附在起電盤上的纖維會直接向空中漏電。遇有不易擦拭掉的污垢時，可以在擦布上蘸些酒精再擦。要用清潔的毛刷除去起電機上電刷上面的灰塵，注意掉落的毛絲不可留在儀器上以免造成漏電，並及時清除電刷上的氧化層。使用完畢要放鬆傳動皮帶，以免長期繃緊加速皮帶老化。使用起電機時切忌用汗手或髒手接觸儀器。操作時雙手儘可能遠離導體一端，避免正對著起電機呼氣，因為人體呼出的水汽凝附在起電機表面也會妨礙實驗的正常進行。冬天使用起電機做實驗時，寒冷的室外進入暖和教室內，滿室學生呼出的熱氣也會使實驗失敗。補救的方法是把儀器預先烘熱後帶進教室。當起電機完好、操作規範但仍不能起電時，是因為所有鋁片沒有帶上初始電荷。這時可以用摩擦過的橡膠棒等使起電盤上的某些鋁片帶電即可以正常使用。同理，使用完畢後，為了安全，往往將兩個放電球接觸，以使正負電荷中和。這時要注意，兩放電球接觸後不能再轉動搖柄，以免兩起電盤上所有鋁片正負電荷完全中和，干擾下次起電。配發的起電機在整機設計、材料選取和製作工藝上也存在不少問題。比如，底座和支架材料單薄、不夠堅固，搖動驅動輪時儀器就會出現搖晃，兩片起電盤無法保持合適均勻的間隙，甚至兩個起電盤轉動中會不斷擦碰。輪軸都由塑膠製品製成，表面十分光滑，傳動皮帶常常會在輪軸上打滑，導致兩起電盤轉動不均勻，或出現一盤轉一盤停滯等現象。上述故障都會嚴重影響起電效果甚至不出現電火花。這就需要我們對儀器整機的結構、材料和工藝做適當的加固、打磨等改進性工作，以發揮它的最大效用。