范德格拉夫起電機

范德格拉夫起電機（Van de Graaff generator），又稱范德格拉夫加速器，是一種用來產生靜電高壓的裝置。該裝置於1929年由荷蘭裔美國物理學家羅伯特·傑米森·范德格拉夫發明。范德格拉夫起電機通過傳送帶將產生的靜電荷傳送到中空的金屬球表面。范德格拉夫起電機非常易於獲得非常高的電壓，現代的范德格拉夫起電機電勢可達500萬伏特。

基本介紹

• 中文名：范德格拉夫起電機
• 外文名：Van de Graaff generator
• 發明時間：1929
• 發明者：羅伯特.傑米森.范得格拉夫
• 實驗套用：作正離子的加速電源
• 裝置特點：易於獲得非常高的電壓

結構及原理

結構如圖，空心金屬圓球A放在絕緣圓柱 C 上，圓柱內B為由電動機帶動上下運動的絲帶（絕緣傳送帶），金屬針尖 E 與數萬伏的直流電源相接，電源另一端接地，由於針尖的放電作用，電荷將不斷地被噴送到傳送帶B上。另一金屬針尖F與導體球 A 的內表面相聯。當帶電的傳送帶轉動到針尖 F 附近時，由於靜電感應和電暈放電作用，傳送帶上的電荷轉移到針尖 F 上，進而移至導體球A的外表面，使導體球A帶電。隨著傳送帶不斷運轉，A球上的電量越來越多，電勢也不斷增加。通常半徑為1米的金屬球可產生約 1 兆伏（對地）的高電壓。為了減少大氣中的漏電，提高電壓，減小體積，可將整個裝置放在充有10～20個大氣壓的氮氣的鋼罐之中。

產生正極性電的范德格拉夫起電機可用作正離子的加速電源，產生負極性電的則可用於高穿透性的 X 射線發生器中。

實驗運用

范德格拉夫起電機球形罩上的電荷能產生超過一千萬伏特的電壓。在核物理實驗中，如此高的電壓可用來加速各種帶電粒子，如質子、電子等。此外，這種起電機也可用來演示很多有趣的靜電現象，如使頭髮豎立起來、吸引發泡膠球、產生電火花、用電風使風車旋轉等。

典型範德格拉夫起電機原理示意圖

靜電現象

使頭髮豎立

我們可以站在絕緣的椅子上，用手按著起電機的球形金屬罩。由於人的身體也可導電，所以當起電機啟動時，電荷便傳到我們的身體上。而因為頭髮上的電荷互相排斥，頭髮便豎立起來。

吸引發泡膠球

當發泡膠球移近起電機的球形罩時，發泡膠球中分子內的電荷分布將發生變化。在分子內，正負兩極的電荷被輕微地分離，產生所謂極化的現象。此時球形罩上的電荷與分子內相反的電荷產生微小的吸力，從而吸引整個發泡膠球。

產生電火花

把接地的金屬小球移近起電機的球形罩時，強大的電場使電荷由球形罩躍向金屬小球，在空氣中產生大量離子和電子。因為離子的能態比不帶電的空氣分子高，所以它們便自發地釋放能量，產生火花。這是在空氣中的放電現象，例如閃電就是電荷從一片雲躍向另一片雲或地面的放電現象。

產生電風

帶電導體的尖端區域具有較高的表面電荷密度，而電荷密度越高，所產生的電場越強。而強大的電場使尖端周圍的空氣分子電離，空氣中與導體電荷相反的離子或電子被尖端吸引，而那些與導體電荷相同的離子或電子則被尖端排斥到遠處，這現象稱為尖端效應。離子運動時拖動空氣分子，產生電風，可使扇葉轉動。

日常靜電套用

在日常生活中有很多靜電的套用，像複印機、靜電除塵器、靜電噴漆。此外，認識靜電使我們避免它可帶來的危險，例如在運載易燃物品的車輛尾端繫上接捷運鏈，把電荷傳到地面，以免電火花引致火災。同一道理，醫院的手術室里，因為時常套用氧氣和易燃的麻醉藥物，所以地板通常是抗靜電的，而所有機器亦需接地，以免火花引發爆炸。

方法

1.提高電極電壓的一個方法是製造更大的球形電極。用直徑1m的球形電極可以得到0.6 x 10⁶V高壓，直徑增大到2m可得到1.3×10⁶V高壓。再增大直徑並不能有效地提高電壓。所以通過增大球形電極的直徑來提高電壓是很有限的。

2.後來人們發現在高氣壓條件下，氣體的擊穿強度即使氣體變成良導電體的電壓要比正常氣壓下高得多。於是就試著把靜電加速器放在高壓氣體中來解決電擊穿問題。試驗結果是成功的。原來在正常氣壓下只能得到0.6 x 10⁶V的靜電加速器，放到充有幾個大氣壓的氖氣鋼筒中後，電壓就可以提高到4.5 x 10⁶V。大部分運行的靜電加速器就是這種高氣壓靜電加速器。