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2017年12月17日 星期日

丁酉(鸡)年十月三十

静电起电机(electrostatic machine)

  一种借助人力或其他动力克服静电力以获得静电的机械,简称起电机。跟一般的发电机不同,起电机只能产生较高的电压,而由此放电产生的短暂脉冲电流,平均值很小,一般不超过几毫安。
  最早的静电起电机出现在17世纪,O.von盖利克利用摇柄使一个硫磺球(后改用玻璃球)迅速旋转,用人手(或皮革)与之摩擦起电。到19世纪,这种摩擦起电机为感应起电机所取代。
  1775年,A.伏打创造了一种起电盘,它由一块绝缘物质(石蜡、硬橡胶、树脂等)制成的平板和一块带有绝缘柄的导电平板组成。通过摩擦使绝缘板带上正电(或负电),见图1a,然后将导电板放到绝缘板上面。因为导电板和绝缘板表面不是十分平坦的,它们之间真正互相接触的只有少数几个点,因此只有极少的正电转移到导电平板上。相反地,由于静电感应,导电板上靠近绝缘板的一测出现负电,另一侧出现正电,见图1b。将导电板接地,地中的负电就会跟导电板上的正电中和,结果使导电板带上负电,见图1c。断开导电板跟地的连接,手握绝缘柄,将带负电的导电板从绝缘板表面移开,导电板上获得负电荷,见图1d。这时绝缘板上的电荷并没有改变,将导电板上的负电荷移去之后再放回到绝缘板上,可重新感应起电。重复上述过程,就可以不断得到负电荷。每次将带负电的导电板同带正电的绝缘板分开时都需要作一定的机械功。

静电起电机静电起电机

  1865年A.推普勒和W.霍耳茨分别制成感应起电机。后由H.维姆胡斯对已有的静电起电机作了改进。维姆胡斯起电机如图2a所示,由一对可以用相同的转速朝相反的方向旋转的平行玻璃圆盘构成。每一块玻璃盘的外围均匀分贴着数十张互相绝缘的金属箔。为了便于说明其工作原理,在图2b中将圆盘的直径绘成略有差别。假设一块圆盘沿反时针方向旋转,另一块圆盘沿顺时针方向旋转。互相垂直的金属臂A1和A2位于圆盘的两侧,臂的两端各有一金属刷跟圆盘上的金属箔保持接触。c1和c2各是一对用导线联在一起的金属梳,分别连到连有莱顿瓶的球形电极(图2a)。梳的尖端指向旋转的玻璃圆盘上的金属箔。
  由于大气中经常存在微量电荷,假设某金属箔a1上带有微弱的正电,与它相对的另一玻璃圆盘上的金属箔a2因感应而带负电,通过A1使圆盘另一端的金属箔b2则带正电。当a2转至β2的位置时,b2转至β2的位置。由于感应作用,经过金属臂A2连接的位于β1β1位置的两块金属箔将分别带上正电和负电。玻璃盘继续旋转90°后,位于β1的金属箔所带的负电荷到达图中b1的位置,位于β1的金属箔所带的正电荷到达图中β1的位置,于是上述过程就可以重复进行。当a1和b2先后经过c1时,它们带的正电荷通过尖端放电传递给起电机的一极;b1和a2先后经过c2时,它们带的负电荷通过尖端放电传递给起电机的另一极。在继续旋转的过程中,每一块圆盘上以通过c1和c2的直径为界,一半金属箔(如a1β1,b2β2)带正电,另一半金属箔(如a2β2,b1β1)带负电。它们不断将正负电荷分别送到起电机的两极上并贮存在莱顿瓶中,可以达到相当高的电压。
  在历史上,维姆胡斯起电机曾经是产生高电压的重要工具,现在则主要用于课堂演示静电现象及空气中的放电现象。一对约60厘米直径的玻璃盘以100转/分的速度旋转,大约可以产生50000伏的电压。大型的维姆胡斯起电机可以在空气中产生十多厘米长的电弧,同时发出强烈的噼啪声。
  为了分离出更多的电荷,产生更高的电压,可以采用范德格喇夫起电机。它是R.J.范德格喇夫于1931年发明的。范德格喇夫起电机的主要部分是一个装在直立的绝缘管上的巨大空心金属球和一个装在管内上下两个滑轮上的绝缘传送带,如图3所示。下滑轮PL用电机带动旋转,使传送带左上右下地运动。在下滑轮旁放置一台高压电源,电源一端的尖端导体c1产生的电晕放电将电荷喷射到传送带上。在上滑轮PU旁放置有另一与金属球相连的尖端导体c2。由于静电感应和电晕放电作用,传送带上的电荷转移到金属球上。当橡皮带不断运动时,电荷就被不断传送到金属球的表面,球的电位随之不断升高。范德格喇夫起电机能产生的最高电压视金属球半径的大小而异。 半径为1米的金属球约可产生 1兆伏(对地)的高电压。为了减少大气中的漏电,提高电压,减小体积,可以将整个装置放在充有10~20个大气压的氮气的钢罐中。

静电起电机

  产生正极性的范德格喇夫起电机在科学研究中用作正离子的加速电源。产生负极性的范德格喇夫起电机应用在高穿透性X 射线发生器中。有时也称范德格喇夫加速器。

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更新时间 : 2009-05-06

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