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起電機又名感應起電機,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佈。

 

1 起電機 -簡介

起電機起電機

又名感應起電機,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佈。由於兩盤分別與兩個受動輪固定,並依靠皮帶與驅動輪相連,由於兩根皮帶中有一根中間有交叉,因此轉動驅動輪時兩盤轉向相反。如圖所示,盤轉向為:正面順時針,反面逆時針。兩盤上各有一過圓心的固定電刷,兩電刷呈90度夾角,電刷兩端的銅絲與鋁片密切接觸,這樣在盤旋轉時銅絲鋁片可以摩擦起電。在圖2所示位置有懸空電刷E,懸空電刷與電刷成45°夾角,每個刷的兩腳跨過兩盤,但並不與兩盤接觸,腳上裝有許多尖細銅絲,銅絲尖端指向圓盤上的鋁片。懸空電刷由金屬桿與萊頓瓶相連。

萊頓瓶其實是個電容,用來儲電。如圖3所示為萊頓瓶結構,由兩層筒狀錫箔組成,中間是電介質,上有瓶蓋。懸空電刷上的金屬桿插入瓶蓋一半,末端由一根較粗銅絲與萊頓瓶內層錫箔筒底相連,這樣懸空電刷上所集電荷可以儲存在萊頓瓶中。圖3所示放電小球也通過一金屬桿與萊頓瓶蓋相接,此桿插入瓶蓋一半且不與集電叉相觸,也不與萊頓瓶中錫箔筒相連,但這樣可使其受萊頓瓶內筒電荷感應而帶電,可推導出放電小球會被感應出和與其相連的萊頓瓶內筒同電性的電荷。由於感應起電機在左右各有一萊頓瓶,若兩萊頓瓶集聚不同種電荷,則兩放電小球上就會被感應出不同種電荷,當兩小球靠近時就會因放電而產生電火花。需要說明的是,此萊頓瓶僅是儲電設備,與小球是否放電無關,因為既使將其拆除,轉動圓盤時兩小球照常放電,只不過電火花很弱,但其頻率更高。這是因為沒有萊頓瓶后其電容減小了,可由公式U=Q/C解釋:要產生電火花,兩小球間電壓約為幾萬伏,當C減小時,懸空電刷僅需要集聚很少電荷就可使電壓升高到放電要求,故與原來相比,放電頻率會加大。但是由於小球上每次放電所放出的電量減少了,相應電流也會減小,因而電火花很小。

2 起電機 -感應起點機的歷史、原理和操作方法


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,

起電機起電機
對電學的發展起了重要的作用。

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,與其他儀器配合后,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。

感應起電機如圖12-10所示,使用感應起電機前,必須先進行目測各部件是否完好,緊固件是否鬆動,如發現故障要待排除后才能使用。對起電機目測時要注意以下幾點:

(l)兩電刷應互成90度夾角,各與橫樑成45度。

(2)集電杆的電梳的尖針不能觸及起電圓盤。

(3)電刷與金屬箔片的接觸要可靠。

(4)兩傳動皮帶的其中一根在傳動輪間交叉安裝,以使兩起電圓盤工作時反向旋轉。

使用感應起電機時要保持室內空氣乾燥無塵污,如空氣潮濕或低溫季節,圓盤表面會形成一層水霧,該水霧與圓盤表面的塵埃等雜質形成導電層,從而影響實驗的效果。

為了克服上述原因造成的起電機不起電的現象,可事先把起電機放在陽光下照射片刻,也可用紅外線燈或自製的烘箱進行烘烤,烘烤的溫度在圓盤處不得超過40℃。

操作起電機時,動作要緩和,由慢到快,但速度不能太快,以防起電機發生共振而損壞機件。

起電機帶電后(包括剛停止搖動時),集電杆等處會集結電荷,這時人體各部分如不慎觸及,就會產生電擊的強烈刺激。但是,起電機所帶的電雖電壓很高(約幾萬伏),但其電流卻極小,一般僅幾個微安,對人體無多大危害。

起電機使用完畢應罩上防塵的塑料袋,並存放在乾燥的櫥內。


感應起電機正轉、反轉狀態下的工作原理

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。如圖:假設剛摩擦時金屬鋁片S1帶電量為Q1,與其在同一直徑上的鋁片S2帶電量為Q2,Q1與Q2有大小之分。

當圓盤轉過90°時,S1與反面電刷Bˊ相對,此時S2ˊ、S1ˊ分別與S1、S2相對。假設Q1>Q2,由於S1ˊ與S2ˊ之間有電刷連接,會引起自由電子移動,使得S1ˊ帶正電荷,S2ˊ帶負電荷。

當圓盤再轉過45°時,S1、S2分別順時針轉至與電極相接的懸空電刷E2、E1處,並在該處放電使E1、E2帶正電荷,這些正電荷又被積聚在萊頓瓶C1、C2中。

當圓盤再轉過45°即S1轉到與正面電刷B相對應時, S1與S1ˊ相對,S2與S2ˊ相對,剛經過放電的S1與S2恰好不再帶有電荷。S2ˊ帶負電使得S2感應帶正電,又由於與金屬刷上銅絲摩擦也使它帶正電,在二者共同作用下S2帶上了正電荷;對於S1來說,S1ˊ上的正電荷使其感應帶負電荷,由於金屬刷的連接作用,S2所帶的正電荷會導致電子移動(如圖4)使S1帶負電,這樣,雖然有摩擦產生的正電荷也會被以上兩種作用所產生的負電荷抵消,因此S1還是帶負電荷。
   
圓盤再轉過45°時,S1ˊ與S2ˊ恰好分別轉到懸空電刷E2ˊ與E1ˊ處。帶正電的S1ˊ在E2ˊ處放電后不再帶電,E2ˊ上的負電荷被中和使E2ˊ帶正電,這些正電荷被萊頓瓶C2積聚到放電叉T2的放電小球上;帶負電的S2ˊ在E1ˊ處放電后也不再帶電,且E1ˊ上的正電荷被中和使E1ˊ帶負電,這些負電荷被萊頓瓶C1積聚到放電叉T1的放電小球上。

如果圓盤又轉過45°,  S1又與S2ˊ相遇,S2與S1ˊ相遇,且此時S1﹑S2與反面電刷Bˊ相對,S1ˊ﹑S2ˊ分別在E2、E1處放電后不再帶電。此時的電荷變化與過程(4)相似, 因此與S1相對的S2ˊ帶正電荷, 與S2相對的S1ˊ帶負電荷。

當圓盤再轉過45°,此時S1﹑S2恰好分別轉到懸空電刷E1﹑E2處。S1在E1處放電使得負電荷被積聚到放電叉T1的放電小球上,S2在,E2處放電使得正電荷被積聚到放電叉T2的放電小球上。之後轉動搖柄,電荷的變化情況將重複過程(3)~(7),由於兩盤的逆向旋轉,轉至與電極相接的懸空電刷E2、E2ˊ處的金屬片將全部帶正電,轉至與電極相接的懸空電刷E1、E1ˊ處的金屬片將全部帶負電。萊頓瓶C2感應到放電小球T2上的正電荷會越來越多,而被萊頓瓶C1感應到放電小球T1上的負電荷也會越來越多,當小球聚集一定電荷時,就會產生放電現象。在萊頓瓶蓋內放電叉與懸空電刷之間的空氣也會被電離,使放電叉與懸空電刷在短時間內相當於一個導體,將事先聚集在萊頓瓶中的電荷大部分中和之後,再一次重複上述過程。

但是,起電機並不是從一開始就可以放電的,因為空氣被擊穿需要一定的電壓,這就需要積聚一定的電荷,而放電叉T1、T2上電荷的積累需要一定時間,所以當起電機長時間不用后要搖動搖柄一定時間后T1、T2間的電壓才能達到擊穿電壓而產生放電現象。

反向轉動搖桿時是否也會達到相同的效果呢?回答是否定的,因為反轉時雖然起電機原理和正轉一樣,但由於正反兩面的鋁片在摩擦起電后都沒有再經過另一側電刷,而是直接在懸空電刷處放電,使兩個萊頓瓶帶有同種電荷,因此不會放電。

3 起電機 -范德格拉夫起電機


將機械能直接轉換為電能的直流高電壓發生器。又稱帶式靜電發生器。1931年由荷蘭學者范德格拉夫發明。其工作原理如圖所示。圖中下部電暈電極(電壓約數十千伏的直流高壓電源)的尖端通過電暈放電所產生的正電荷噴射到移動著的絕緣皮帶上,通過皮帶向上傳送。一部分正電荷經集電極和電阻進進球形高壓電極;另一部分則聚集到對地絕緣而和集電極相聯的上部皮帶輪上。此帶電的皮帶輪可使上部電暈電極尖端發生電暈放電。所產生的負電荷噴射到絕緣皮帶上,由皮帶向下傳送到下部電暈電極附近而被中和掉。高壓電極一方面收集到正電荷,同時又放掉負電荷,故其上電位將越來越高,直至足以推斥皮帶上傳送來的正電荷不能進入高壓電極時為止。此外,它的電位還受電極電暈電壓的限制,半徑越大,電暈電壓越高,故電極所能達到的電位還與其半徑有關,例如半徑1米的球最多能維持電壓1.5MV。將整個裝置放在密閉的金屬外殼內,並充以壓縮空氣或者負電性氣體(例如SF6等),可以提高輸出電壓。發生器輸出電壓一般為數MV。80年代最高電壓為25MV(美國,建成於1981年)。

發生器的主要特點是易於獲得和調節輸出的直流高壓,輸出電壓脈動很小,配上相應的穩壓裝置后穩定度可達10-5。但其輸出電流較小。一般為數百 μA。它通常應用於核物理實驗,其負載常為離子管或X光管。為提高輸出電流,N.J.費利奇於50年代又研究了轉子式靜電發生器,電流可達數mA。它不僅可用於物理方面,且可用於靜電噴漆和除塵以及部分高電壓試驗,但電壓不超過750kV。此外,還有可變電容型靜電發生器,輸出電壓為兆伏級,而電流可高達安培級。也有人在研究將這類發生器用於空間發動機。

產生靜電高壓的裝置。又稱范德格拉夫加速器,是美國物理學家R.J.范德格拉夫在1931年發明的。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。

4 起電機 -靜電起電機


一種藉助人力或其他動力克服靜

起電機起電機
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(后改用玻璃球)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),見圖1a,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,見圖1b。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,見圖1c。斷開導電板跟地的連接,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,見圖1d。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。

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。維姆胡斯起電機如圖2a所示,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。為了便於說明其工作原理,在圖2b中將圓盤的直徑繪成略有差別。假設一塊圓盤沿反時針方向旋轉,另一塊圓盤沿順時針方向旋轉。互相垂直的金屬臂A1和A2位於圓盤的兩側,臂的兩端各有一金屬刷跟圓盤上的金屬箔保持接觸。c1和c2各是一對用導線聯在一起的金屬梳,分別連到連有萊頓瓶的球形電極(圖2a)。梳的尖端指向旋轉的玻璃圓盤上的金屬箔。
  由於大氣中經常存在微量電荷,假設某金屬箔a1上帶有微弱的正電,與它相對的另一玻璃圓盤上的金屬箔a2因感應而帶負電,通過A1使圓盤另一端的金屬箔b2則帶正電。當a2轉至β2的位置時,b2轉至β2的位置。由於感應作用,經過金屬臂A2連接的位於β1和β1位置的兩塊金屬箔將分別帶上正電和負電。玻璃盤繼續旋轉90°后,位於β1的金屬箔所帶的負電荷到達圖中b1的位置,位於β1的金屬箔所帶的正電荷到達圖中β1的位置,於是上述過程就可以重複進行。當a1和b2先後經過c1時,它們帶的正電荷通過尖端放電傳遞給起電機的一極;b1和a2先後經過c2時,它們帶的負電荷通過尖端放電傳遞給起電機的另一極。在繼續旋轉的過程中,每一塊圓盤上以通過c1和c2的直徑為界,一半金屬箔(如a1和β1,b2和β2)帶正電,另一半金屬箔(如a2和β2,b1和 β1)帶負電。它們不斷將正負電荷分別送到起電機的兩極上並貯存在萊頓瓶中,可以達到相當高的電壓。
  在歷史上,維姆胡斯起電機曾經是產生高電壓的重要工具,現在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,如圖3所示。下滑輪PL用電機帶動旋轉,使傳送帶左上右下地運動。在下滑輪旁放置一台高壓電源,電源一端的尖端導體c1產生的電暈放電將電荷噴射到傳送帶上。在上滑輪PU旁放置有另一與金屬球相連的尖端導體c2。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應用在高穿透性X 射線發生器中。有時也稱范德格喇夫加速器。

5 起電機 -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,穿過金屬薄壁管后滴入下方的金屬水箱。薄壁管 與水箱用導線交叉地連接起來。 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。

6 起電機 -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。如圖:假設剛摩擦時金屬鋁片S1帶電量為Q1,與其在同一直徑上的鋁片S2帶電量為Q2,Q1與Q2有大小之分。圖37-2所示。

當圓盤轉過90°時,S1與反面電刷Bˊ相對,此時S2ˊ、S1ˊ分別與S1、S2相對。假設Q1>Q2,由於S1ˊ與S2ˊ之間有電刷連接,會引起自由電子移動,使得S1ˊ帶正電荷,S2ˊ帶負電荷,圖37-2(b)。

當圓盤再轉過45°時,S1、S2分別順時針轉至與電極相接的懸空電刷E2、E1處,並在該處放電使E1、E2帶正電荷,這些正電荷又被積聚在萊頓瓶C1、C2中,圖37-2(c)。

當圓盤再轉過45°即S1轉到與正面電刷B相對應時, S1與S1ˊ相對,S2與S2ˊ相對,剛經過放電的S1與S2恰好不再帶有電荷。S2ˊ帶負電使得S2感應帶正電,又由於與金屬刷上銅絲摩擦也使它帶正電,在二者共同作用下S2帶上了正電荷;對於S1來說,S1ˊ上的正電荷使其感應帶負電荷,由於金屬刷的連接作用,S2所帶的正電荷會導致電子移動(如圖37-3)使S1帶負電,這樣,雖然有摩擦產生的正電荷也會被以上兩種作用所產生的負電荷抵消,因此S1還是帶負電荷,圖37-2(d)。

圓盤再轉過45°時,S1ˊ與S2ˊ恰好分別轉到懸空電刷E2ˊ與E1ˊ處。帶正電的S1ˊ在E2ˊ處放電后不再帶電,E2ˊ上的負電荷被中和使E2ˊ帶正電,這些正電荷被萊頓

瓶C2積聚到放電叉T2的放電小球上;帶負電的S2ˊ在E1ˊ處放電后也不再帶電,且E1ˊ上的正電荷被中和使E1ˊ帶負電,這些負電荷被萊頓瓶C1積聚到放電叉T1的放電小球上,圖37-2(e)。

如果圓盤又轉過45°,S1又與S2ˊ相遇,S2與S1ˊ相遇,且此時S1﹑S2與反面電刷Bˊ相對,S1ˊ﹑S2ˊ分別在E2、E1處放電后不再帶電。此時的電荷變化與過程(d)相似, 因此與S1相對的S2ˊ帶正電荷, 與S2相對的S1ˊ帶負電荷,圖37-2(f)。

當圓盤再轉過45°,此時S1﹑S2恰好分別轉到懸空電刷E1﹑E2處。S1在E1處放電使得負電荷被積聚到放電叉T1的放電小球上,S2在E2處放電使得正電荷被積聚到放電叉T2的放電小球上,圖37-2(g)。之後轉動搖柄,電荷的變化情況將重複過程(c)~(g),由於兩盤的逆向旋轉,轉至與電極相接的懸空電刷E2、E2ˊ處的金屬片將全部帶正電,轉至與電極相接的懸空電刷E1、E1ˊ處的金屬片將全部帶負電。萊頓瓶C2感應到放電小球T2上的正電荷會越來越多,而被萊頓瓶C1感應到放電小球T1上的負電荷也會越來越多,當小球聚集一定電荷時,就會產生放電現象。在萊頓瓶蓋內放電叉與懸空電刷之間的空氣也會被電離,使放電叉與懸空電刷在短時間內相當於一個導體,將事先聚集在萊頓瓶中的電荷大部分中和之後,再一次重複上述過程。

但是,起電機並不是從一開始就可以放電的,因為空氣被擊穿需要一定的電壓,這就需要積聚一定的電荷,而放電叉T1、T2上電荷的積累需要一定時間,所以當起電機長時間不用后要搖動搖柄一定時間后T1、T2間的電壓才能達到空氣的擊穿電壓而產生放電現象。

那麼,反向轉動搖桿時是否也會達到相同的效果呢?回答是否定的,因為反轉時雖然起電機原理和正轉一樣,但由於正反兩面的鋁片在摩擦起電后都沒有再經過另一側電刷,而是直接在懸空電刷處放電,使兩個萊頓瓶帶有同種電荷,因此不會放電。

7 起電機 -相關圖片

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