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1882年,英國維姆胡斯創(chuàng)造了圓盤式靜電感應(yīng)起電機(jī),其中兩同軸玻璃圓板可反向高速轉(zhuǎn)動,摩擦起電的效率很高,并能產(chǎn)生高電壓。這種起電機(jī)一直沿用至今,在各中學(xué)的物理課堂上作電學(xué)演示實驗時,就經(jīng)常用到它。

摩擦起電機(jī)的出現(xiàn),這種由人工產(chǎn)生的新奇電現(xiàn)象,引起了社會廣泛的關(guān)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(xiàn)象感興趣,普遍渴望獲得電的知識。電學(xué)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(xué)上課時的電學(xué)演示實驗,公眾都擠過去看,以至達(dá)到把大學(xué)生都擠出座位的地步。摩擦起電機(jī)的出現(xiàn),也為實驗研究提供了電源,對電學(xué)的發(fā)展起了重要的作用。

感應(yīng)起電機(jī)如圖12-10所示,使用感應(yīng)起電機(jī)前,必須先進(jìn)行目測各部件是否完好,緊固件是否松動,如發(fā)現(xiàn)故障要待排除后才能使用。對起電機(jī)目測時要注意以下幾點:

1、兩電刷應(yīng)互成90度夾角,各與橫梁成45度。

2、集電桿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(zhuǎn)。

使用感應(yīng)起電機(jī)時要保持室內(nèi)空氣干燥無塵污,如空氣潮濕或低溫季節(jié),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(zhì)形成導(dǎo)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(jī)不起電的現(xiàn)象,可事先把起電機(jī)放在陽光下照射片刻,也可用紅外線燈或自制的烘箱進(jìn)行烘烤,烘烤的溫度在圓盤處不得超過40℃。

操作起電機(jī)時,動作要緩和,由慢到快,但速度不能太快,以防起電機(jī)發(fā)生共振而損壞機(jī)件。

起電機(jī)帶電后(包括剛停止搖動時),集電桿等處會集結(jié)電荷,這時人體各部分如不慎觸及,就會產(chǎn)生電擊的強(qiáng)烈刺激。但是,起電機(jī)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(jī)使用完畢應(yīng)罩上防塵的塑料袋,并存放在干燥的櫥內(nèi)。

轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E2、E2ˊ處的金屬片將全部帶正電。

將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能的直流高電壓發(fā)生器。又稱帶式靜電發(fā)生器。1931年由荷蘭學(xué)者范德格拉夫發(fā)明。其工作原理如圖所示。圖中下部電暈電極(電壓約數(shù)十千伏的直流高壓電源)的尖端通過電暈放電所產(chǎn)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(jīng)集電極和電阻進(jìn)入球形高壓電極;另一部分則聚集到對地絕緣而和集電極相聯(lián)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(fā)生電暈放電。所產(chǎn)生的負(fù)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(fù)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(jìn)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(dá)到的電位還與其半徑有關(guān),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(nèi),并充以壓縮空氣或者負(fù)電性氣體(例如SF6等),可以提高輸出電壓。發(fā)生器輸出電壓一般為數(shù)MV。80年代最高電壓為25MV(美國,建成于1981年)。

產(chǎn)生靜電高壓的裝置。又稱范德格拉夫加速器,是美國物理學(xué)家R.J.范德格拉夫在1931年發(fā)明的。結(jié)構(gòu)如圖,空心金屬圓球A放在絕緣圓柱 C 上,圓柱內(nèi)B為由電動機(jī)帶動上下運(yùn)動的絲帶(絕緣傳送帶),金屬針尖 E 與數(shù)萬伏的直流電源相接,電源另一端接地,由于針尖的放電作用,電荷將不斷地被噴送到傳送帶B上。另一金屬針尖F與導(dǎo)體球 A 的內(nèi)表面相聯(lián)。當(dāng)帶電的傳送帶轉(zhuǎn)動到針尖 F 附近時,由于靜電感應(yīng)和電暈放電作用,傳送帶上的電荷轉(zhuǎn)移到針尖 F 上,進(jìn)而移至導(dǎo)體球A的外表面,使導(dǎo)體球A帶電。隨著傳送帶不斷運(yùn)轉(zhuǎn),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(chǎn)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。

發(fā)生器的主要特點是易于獲得和調(diào)節(jié)輸出的直流高壓,輸出電壓脈動很小,配上相應(yīng)的穩(wěn)壓裝置后穩(wěn)定度可達(dá)10-5。但其輸出電流較小。一般為數(shù)百 μA。它通常應(yīng)用于核物理實驗,其負(fù)載常為離子管或X光管。為提高輸出電流,N.J.費(fèi)利奇于50年代又研究了轉(zhuǎn)子式靜電發(fā)生器,電流可達(dá)數(shù)mA。它不僅可用于物理方面,且可用于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(fā)生器,輸出電壓為兆伏級,而電流可高達(dá)安培級。也有人在研究將這類發(fā)生器用于空間發(fā)動機(jī)。

一種借助人力或其他動力克服靜電力以獲得靜電的機(jī)械,簡稱起電機(jī)。跟一般的發(fā)電機(jī)不同,起電機(jī)只能產(chǎn)生較高的電壓,而由此放電產(chǎn)生的短暫脈沖電流,平均值很小,一般不超過幾毫安。

最早的靜電起電機(jī)出現(xiàn)在17世紀(jì),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(zhuǎn),用人手(或皮革)與之摩擦起電。到19世紀(jì),這種摩擦起電機(jī)為感應(yīng)起電機(jī)所取代。

1775年,A.伏打創(chuàng)造了一種起電盤,它由一塊絕緣物質(zhì)(石蠟、硬橡膠、樹脂等)制成的平板和一塊帶有絕緣柄的導(dǎo)電平板組成。通過摩擦使絕緣板帶上正電(或負(fù)電),見圖1a,然后將導(dǎo)電板放到絕緣板上面。因為導(dǎo)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(shù)幾個點,因此只有極少的正電轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電平板上。相反地,由于靜電感應(yīng),導(dǎo)電板上靠近絕緣板的一測出現(xiàn)負(fù)電,另一側(cè)出現(xiàn)正電,見圖1b。將導(dǎo)電板接地,地中的負(fù)電就會跟導(dǎo)電板上的正電中和,結(jié)果使導(dǎo)電板帶上負(fù)電,見圖1c。斷開導(dǎo)電板跟地的連接,手握絕緣柄,將帶負(fù)電的導(dǎo)電板從絕緣板表面移開,導(dǎo)電板上獲得負(fù)電荷,見圖1d。這時絕緣板上的電荷并沒有改變,將導(dǎo)電板上的負(fù)電荷移去之后再放回到絕緣板上,可重新感應(yīng)起電。重復(fù)上述過程,就可以不斷得到負(fù)電荷。每次將帶負(fù)電的導(dǎo)電板同帶正電的絕緣板分開時都需要作一定的機(jī)械功。

1865年A.推普勒和W.霍耳茨分別制成感應(yīng)起電機(jī)。后由H.維姆胡斯對已有的靜電起電機(jī)作了改進(jìn)。維姆胡斯起電機(jī)如圖2a所示,由一對可以用相同的轉(zhuǎn)速朝相反的方向旋轉(zhuǎn)的平行玻璃圓盤構(gòu)成。每一塊玻璃盤的外圍均勻分貼著數(shù)十張互相絕緣的金屬箔。為了便于說明其工作原理,在圖2b中將圓盤的直徑繪成略有差別。假設(shè)一塊圓盤沿反時針方向旋轉(zhuǎn),另一塊圓盤沿順時針方向旋轉(zhuǎn)�；ハ啻怪钡慕饘俦跘1和A2位于圓盤的兩側(cè),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(dǎo)線聯(lián)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(zhuǎn)的玻璃圓盤上的金屬箔。

由于大氣中經(jīng)常存在微量電荷,假設(shè)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(yīng)而帶負(fù)電,通過A1使圓盤另一端的金屬箔b2則帶正電。當(dāng)a2轉(zhuǎn)至β2的位置時,b2轉(zhuǎn)至β2的位置。由于感應(yīng)作用,經(jīng)過金屬臂A2連接的位于β1和β1位置的兩塊金屬箔將分別帶上正電和負(fù)電。玻璃盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°后,位于β1的金屬箔所帶的負(fù)電荷到達(dá)圖中b1的位置,位于β1的金屬箔所帶的正電荷到達(dá)圖中β1的位置,于是上述過程就可以重復(fù)進(jìn)行。當(dāng)a1和b2先后經(jīng)過c1時,它們帶的正電荷通過尖端放電傳遞給起電機(jī)的一極;b1和a2先后經(jīng)過c2時,它們帶的負(fù)電荷通過尖端放電傳遞給起電機(jī)的另一極。在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)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(fù)電。它們不斷將正負(fù)電荷分別送到起電機(jī)的兩極上并貯存在萊頓瓶中,可以達(dá)到相當(dāng)高的電壓。

在歷史上,維姆胡斯起電機(jī)曾經(jīng)是產(chǎn)生高電壓的重要工具,則主要用于課堂演示靜電現(xiàn)象及空氣中的放電現(xiàn)象。一對約60厘米直徑的玻璃盤以100轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn),大約可以產(chǎn)生50000伏的電壓。大型的維姆胡斯起電機(jī)可以在空氣中產(chǎn)生十多厘米長的電弧,同時發(fā)出強(qiáng)烈的噼啪聲。

為了分離出更多的電荷,產(chǎn)生更高的電壓,可以采用范德格喇夫起電機(jī)。它是R.J.范德格喇夫于1931年發(fā)明的。范德格喇夫起電機(jī)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(nèi)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(jī)帶動旋轉(zhuǎn),使傳送帶左上右下地運(yùn)動。在下滑輪旁放置一臺高壓電源,電源一端的尖端導(dǎo)體c1產(chǎn)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(dǎo)體c2。由于靜電感應(yīng)和電暈放電作用,傳送帶上的電荷轉(zhuǎn)移到金屬球上。當(dāng)橡皮帶不斷運(yùn)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(jī)能產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生正極性的范德格喇夫起電機(jī)在科學(xué)研究中用作正離子的加速電源。產(chǎn)生負(fù)極性的范德格喇夫起電機(jī)應(yīng)用在高穿透性X 射線發(fā)生器中。有時也稱范德格喇夫加速器。

維氏起電機(jī)

感應(yīng)起電機(jī)是一種能連續(xù)取得并可積累較多正、負(fù)電荷的實驗裝置。萊頓瓶是個電容,用來儲電。感應(yīng)起電機(jī)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(fù)極。

當(dāng)順時針搖動轉(zhuǎn)輪上的搖柄時,由于在靜電序列中鋁排在銅之前,所以在圓盤轉(zhuǎn)動時鋁片與電刷上的銅絲摩擦而帶上正電荷,銅絲帶負(fù)電荷。如圖:假設(shè)剛摩擦?xí)r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(dāng)圓盤再轉(zhuǎn)過45°即S1轉(zhuǎn)到與正面電刷B相對應(yīng)時, S1與S1ˊ相對,S2與S2ˊ相對,剛經(jīng)過放電的S1與S2恰好不再帶有電荷。S2ˊ帶負(fù)電使得S2感應(yīng)帶正電,又由于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;對于S1來說,S1ˊ上的正電荷使其感應(yīng)帶負(fù)電荷,由于金屬刷的連接作用,S2所帶的正電荷會導(dǎo)致電子移動(如圖37-3)使S1帶負(fù)電,圖37-2(d)。

如果圓盤又轉(zhuǎn)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。圖37-2(f)。

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)。之后轉(zhuǎn)動搖柄,電荷的變化情況將重復(fù)過程(c)~(g),由于兩盤的逆向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)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(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E1、E1ˊ處的金屬片將全部帶負(fù)電。萊頓瓶C2感應(yīng)到放電小球T2上的正電荷會越來越多,而被萊頓瓶C1感應(yīng)到放電小球T1上的負(fù)電荷也會越來越多,當(dāng)小球聚集一定電荷時,就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。在萊頓瓶蓋內(nèi)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(nèi)相當(dāng)于一個導(dǎo)體,將事先聚集在萊頓瓶中的電荷大部分中和之后,再一次重復(fù)上述過程。

所以當(dāng)起電機(jī)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(dá)到空氣的擊穿電壓而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

滴水起電機(jī)

滴水起電機(jī)英國科學(xué)家開爾文曾設(shè)計了一架非常有趣的發(fā)電機(jī)——滴水起電機(jī) 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(dǎo)線交叉地連接起來。 水滴滴了一會之后,一個水箱帶了正電,而另一個帶了負(fù)電。該起電機(jī) 的兩邊是完全對稱的,為什么兩只水箱帶了不同的電荷呢? 滴水發(fā)電機(jī)是根據(jù)感應(yīng)起電的原理設(shè)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(fù)電,但 是它們所帶的電量一般不等。帶負(fù)電荷較多的水箱接著另一邊上角的金屬薄 壁。由于靜電感應(yīng),帶負(fù)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(xiàn)了正電荷。因此當(dāng)水滴下落時,就會把正電荷帶 到該邊帶負(fù)電荷較少的金屬水箱中。如此這般積少成多,循環(huán)進(jìn)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。