起電機

起電機，又名感應起電機，是一種能連續取得並可積累較多正、負電荷的實驗裝置。其旋轉盤由兩塊圓形有機玻璃疊在一起組成，中有空隙，每塊向外的表面上都貼有鋁片，鋁片以圓心為中心對稱分布。

基本介紹

• 中文名：起電機
• 別名：感應起電機
• 所屬類別：積累較多正、負電荷的實驗裝置
• 所屬行業：電機

操作方法

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。

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奇電現象，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。

起電機

類型

靜電型

一種藉助人力或其他動力克服靜電力以獲得靜電的機械，簡稱起電機。跟一般的發電機不同，起電機只能產生較高的電壓，而由此放電產生的短暫脈衝電流，平均值很小，一般不超過幾毫安。

最早的靜電起電機出現在17世紀，O.von蓋利克利用搖柄使一個硫磺球（後改用玻璃球）迅速旋轉，用人手（或皮革）與之摩擦起電。到19世紀，這種摩擦起電機為感應起電機所取代。1775年，A.伏打創造了一種起電盤，它由一塊絕緣物質（石蠟、硬橡膠、樹脂等）製成的平板和一塊帶有絕緣柄的導電平板組成。通過摩擦使絕緣板帶上正電（或負電），然後將導電板放到絕緣板上面。因為導電板和絕緣板表面不是十分平坦的，它們之間真正互相接觸的只有少數幾個點，因此只有極少的正電轉移到導電平板上。相反地，由於靜電感應，導電板上靠近絕緣板的一測出現負電，另一側出現正電。將導電板接地，地中的負電就會跟導電板上的正電中和，結果使導電板帶上負電。斷開導電板跟地的連線，手握絕緣柄，將帶負電的導電板從絕緣板表面移開，導電板上獲得負電荷。這時絕緣板上的電荷並沒有改變，將導電板上的負電荷移去之後再放回到絕緣板上，可重新感應起電。重複上述過程，就可以不斷得到負電荷。每次將帶負電的導電板同帶正電的絕緣板分開時都需要作一定的機械功。

靜電起電機

1865年A.推普勒和W.霍耳茨分別製成感應起電機。後由H.維姆胡斯對已有的靜電起電機作了改進。維姆胡斯起電機，由一對可以用相同的轉速朝相反的方向旋轉的平行玻璃圓盤構成。每一塊玻璃盤的外圍均勻分貼著數十張互相絕緣的金屬箔。

在歷史上，維姆胡斯起電機曾經是產生高電壓的重要工具，則主要用於課堂演示靜電現象及空氣中的放電現象。一對約60厘米直徑的玻璃盤以100轉/分的速度旋轉，大約可以產生50000伏的電壓。大型的維姆胡斯起電機可以在空氣中產生十多厘米長的電弧，同時發出強烈的噼啪聲。

為了分離出更多的電荷，產生更高的電壓，可以採用范德格喇夫起電機。它是R.J.范德格喇夫於1931年發明的。范德格喇夫起電機的主要部分是一個裝在直立的絕緣管上的巨大空心金屬球和一個裝在管內上下兩個滑輪上的絕緣傳送帶。由於靜電感應和電暈放電作用，傳送帶上的電荷轉移到金屬球上。當橡皮帶不斷運動時，電荷就被不斷傳送到金屬球的表面，球的電位隨之不斷升高。范德格喇夫起電機能產生的最高電壓視金屬球半徑的大小而異。 半徑為1米的金屬球約可產生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，可以將整個裝置放在充有10～20個大氣壓的氮氣的鋼罐中。

產生正極性的范德格喇夫起電機在科學研究中用作正離子的加速電源。產生負極性的范德格喇夫起電機套用在高穿透性X射線發生器中。有時也稱范德格喇夫加速器。

維氏起電機

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。萊頓瓶是個電容，用來儲電。感應起電機在左右各有一萊頓瓶，兩萊頓瓶集聚不同種電荷，作為電源的正負極。

當順時針搖動轉輪上的搖柄時，由於在靜電序列中鋁排在銅之前，所以在圓盤轉動時鋁片與電刷上的銅絲摩擦而帶上正電荷，銅絲帶負電荷。

滴水起電機

滴水起電機英國科學家開爾文曾設計了一架非常有趣的發電機——滴水起電機 最上邊是兩根滴水管，管口大小使得流出的水剛好形成水滴而間隙又不 過長。水滴從水管流出來，穿過金屬薄壁管後滴入下方的金屬水箱。薄壁管 與水箱用導線交叉地連線起來。 水滴滴了一會之後，一個水箱帶了正電，而另一個帶了負電。該起電機 的兩邊是完全對稱的，為什麼兩隻水箱帶了不同的電荷呢？ 滴水發電機是根據感應起電的原理設計的。 在周圍的無線電波，宇宙射線的作用下，兩個金屬水箱都帶了負電，但 是它們所帶的電量一般不等。帶負電荷較多的水箱接著另一邊上角的金屬薄 壁。由於靜電感應，帶負電的金屬薄壁管把水中的正離子召喚過來，該邊的 滴水管口（最上方）便出現了正電荷。因此當水滴下落時，就會把正電荷帶 到該邊帶負電荷較少的金屬水箱中。如此這般積少成多，循環進行，電荷分 離速度逐步加快。一會兒便能在兩根金屬箱之間建立起一萬五千伏以上的高電壓。

滴水起電機示意圖

工作原理

演示實驗用范氏起電機的內部結構如圖所示。

主要部件有金屬球殼、絕緣支架、上滾輪、下滾輪、傳送帶、自激梳、集電梳、單相交流電動機等。

1、摩擦起電原理

范氏起電機靜電荷來源是基於兩種不同材料摩擦起電的原理（包括緊密接觸起電）。一般說來兩種不同的材料發生摩擦時都會發生電荷的轉移，獲得電子的材料帶負電；失去電子的材料帶正電。由於金屬材料的自由電子很容易轉移，保存這些電荷特別困難，所以實際套用中都採用絕緣材料摩擦來獲得靜電荷。絕緣體摩擦產生的電荷稱為束縛電荷，其涵義為，這些電荷在哪裡產生就停留在哪裡而不能在絕緣材料上移動。范氏起電機的兩個摩擦對象是：下滾輪與傳送帶。根據需要適當地選擇兩種材料的組合：可以使下滾輪帶正電、傳送帶帶負電；調換材料的組合也可使帶電情況相反。交流電動機與下滾輪共軸，接通220V交流電源，電動機隨即帶動下滾輪轉動。下滾輪與傳送帶之間的摩擦和緊密接觸作用，導致兩介質帶上異種電荷。這裡不妨假設下滾輪帶正電，傳送帶帶負電。

2、尖端放電原理

傳送帶左邊做上行運動、右邊做下行運動。負電荷隨著傳送帶的上行而上移，當負電荷到達上滾輪附近時，在上滾輪附近設定有集電梳，所謂集電梳就是一排整齊的金屬尖針，它的外形正像日常生活用品-梳頭的梳子。在尖端導體強電場的作用下，與尖端電荷極性相反的離子飛向尖端跟尖端電荷中和；與尖端電荷極性相同的離子受到排斥背離尖端飛走，這就是所謂尖端放電。根據尖端放電原理，傳送帶上的負電荷（束縛電荷）經過集電梳時必然發生尖端放電，負電荷飛向尖端並迅速分布到球殼表面。總之，在尖端放電的作用下，傳送帶的負電荷順利地轉移到金屬球外表面。

3、電荷自激原理

摩擦起電的電荷量太小，不能使金屬球帶上足夠多的靜電荷，大球與小球之間不能產生強烈的火花放電。因此儀器還需要電荷的自激機制。下滾輪、傳送帶、自激梳三者構成了電荷自激系統。在摩擦起電的過程中，負電荷被傳送帶源源不斷地運走，但正電荷只能聚集在下滾輪，而且越聚越多。這樣下滾輪正電荷的面密度就大大高於傳送帶的負電荷的面密度，因此正電荷是矛盾的主要方面：下滾輪周圍空間的電場就是正電荷形成的強大電場。在正電荷電場作用下導致自激梳發生尖端放電，由於傳送帶的中介隔離作用，尖端放電放出的負電荷不能與下滾輪的正電荷相遇中和，這些負電荷只能吸附於傳送帶且被上行的傳送帶帶走。運轉一定時間後，下滾輪的帶電荷增加量與泄漏量達到動態平衡。一定量的正電荷通過自激梳的尖端放電可 產生無限量 的負電荷，這就是范氏起電機的電荷自激原理。實驗表明：取下自激梳僅依靠摩擦電荷對金屬球充電它只能帶有微弱電荷。

4、火花放電原理

起電機金屬球相當於一個電容器，這個電容器可視為兩個同心球殼構成，一個球殼半徑是R ；另一個球殼半徑為無窮大，兩球殼組成的電容器容量是C=4πε₀R。集電梳作用就是給這個電容器不斷充電。大球帶上足夠的負電荷後，將小球靠近大球，可看到明亮的電火花同時聽到爆鳴聲，即發生了“火花放電”。火花放電時碰撞電離並不是發生在兩個電極之間的整個區域，而是發生在狹窄曲折的閃光通道中。空氣擊穿後突然由絕緣體變為導體，兩個電極上的電荷很快中和，因此放電之後兩極間的電壓迅速降低，火花放電很快停止。需要等待起電機繼續起電，當兩極間的電壓又升到一定數值方能再次看到火花放電，所以火花放電是間斷髮生的。

5、感應起電原理

范氏起電機可演示感應起電實驗。摩擦起電與感應起電是兩種基本的靜電起電方式。當起電機的金屬球帶上一定電荷時，教師手持驗電器慢慢靠近金屬球，學生看到驗電器的兩箔片逐漸張開，靠得越近張開的角度越大；再將驗電器逐漸遠離金屬球時張角變小，驗電器離開金屬球足夠遠時兩箔片合攏。這就是感應起電實驗。在感應起電過程中驗電器所帶的淨電荷等於零。然而驗電器與金屬球靠得足夠近時發生火花放電，此時驗電器帶上了淨電荷，再將驗電器遠離金屬球時兩箔片不再合攏。

故障排除

范氏起電機是靜電理論知識綜合實踐套用的範例，掌握了范氏起電機的結構和工作原理後不難排除起電機的常見故障。結合我們在教學實驗中遇到的故障及排除方法做出概括性陳述。

1、電動機不轉或旋轉無力

范氏起電機一般使用電容啟動式單相交流電動機驅動滾輪轉動，使用日久後啟動電容器容易漏電變質甚至完全損壞，此時出現電動機旋轉無力或者只有交流聲而不旋轉的現象。可照原來電容器的容量和耐壓數值購買新的電容器並且更換。

2、起電機幾乎不起電

最具可能的原因就是機器潮濕或灰塵多致使各部件絕緣性能變差。如果絕緣支架、下滾輪、上滾輪、橡膠帶、金屬球表面等有纖維物、汗漬或灰塵等，都會造成許多微小的尖端，使產生的電荷直接從尖端通過電暈放電流散到空氣中。因此需要用清潔抹布將各個組件表面擦乾淨，且不要用手直接觸摸儀器。環境濕度太大也會導致起電機不起電，含雜質的水分子附著在絕緣體表面會使儀 器絕緣性能 大大降低。起電機內部安裝有一盞白熾燈可用來烘乾除濕。如果白熾燈不亮，可以檢查電路故障或者更換新燈泡。若白熾燈烘乾效果不理想可考慮另加紅外線的烘乾熱源，總之要保證演示實驗環境的清潔、通風、乾燥。

3、起電機正常工作但起電量較小

這也是經常發生的故障，造成故障的原因可能來自幾個方面。一是自激梳的位置發生偏移。由前文分析可知，集電梳就是一排整齊的金屬尖針，而金屬尖針緊密連續的排列就等同於金屬刀片。電荷自激原理告訴我們，集電梳可以實現下滾輪有限量的正電荷通過尖端放電原理產 生無限量 的負電荷，且附著於傳送帶而上行。因此自激梳如果出現偏移就不能很好地發揮電荷自激裝置的作用，起電機只能產生微弱的靜電荷。可以仔細地調整自激梳到“合適位置”----使得自激梳儘量靠近傳送帶但不要碰觸傳送帶；二是集電梳的位置發生偏移。集電梳如果與傳送帶距離太大即不能很好地收集靜電荷；集電梳如果與傳送帶的距離過近則容易劃傷傳送帶，也不能正常地收集靜電荷。可以通過反覆仔細的調節集電梳的左右兩側螺母使其到達合適位置，這裡的“合適位置”與自激梳的要求相同；三是前面說到的潮濕問題以及儀器不清潔問題也是造成起電機電荷量小的原因。

4、傳送帶偏離上下滾輪的中線

當傳送帶偏離上下滾輪的中線較多時，傳送帶會與絕緣支架內壁摩擦，造成傳送帶與支架內壁磨損受傷。此時需要鬆開電動機安裝支架，重新調整電動機位置且固定之；或者調試上滾輪兩端的螺母，使橡膠帶到達較理想的中線位置。傳送帶如果出現裂紋老化現象直接影響起電效果，必須更換新的傳送帶。此外需要注意：教學演示結束要將小球與大球接觸完全放電後人體方可接觸金屬球。